Устройство для обнаружения, отслеживания и считывания флуоресцентного матричного кода

Полезная модель относится к средствам контроля за объектами. Устройство для обнаружения, отслеживании и считывания искомого объекта с флуоресцентным матричным кодом включает флуоресцентный матричный код (12), нанесенный на искомый объект (3), и ридер, в состав которого входят источник электромагнитного излучения (4), светофильтр (10), камера (5), анализатор (1), вычислительная машина (2) и подключенный к ней оптоэлектронный преобразователь (8). В объективе (6) камеры (5) предусмотрены оптический зуммер (7) и устройство автофокусировки (11). Камера (5) смонтирована на поворотном устройстве (9). Отношение фокусного расстояния к апертуре объектива (6) камеры (5) определяется по соотношению с учетом линейного размера квадратного пикселя, коэффициента преобразования фотонов в оптоэлектроны, числа пикселей флуоресцентного матричного кода (12) и количества фотоэлектронов порогового сигнала. Предложенные технические решения расширяют функциональные возможности способа и устройства и позволяют получить более точную информацию о нанесенном на искомый объект флуоресцентном матричном коде. 1 н.з.п. ф-лы, 3 з.п. ф-лы и 1 ил.

Полезная модель относится к средствам наблюдения за объектами и может быть использовано при обнаружении, отслеживании и считывании искомого объекта с флуоресцентным матричным кодом.

Известно устройство для обнаружения искомых объектов, основанное на оптическом принципе и используемое при спасательных операциях [Патент США на изобретение 5793034]. Устройство включает, по меньшей мере, два независимых лазерных диодных источника с различными длинами волн, искомый объект с маркирующим материалом и модуль для определения факта обнаружения искомого объекта. Маркирующий материал способен отражать длины волн обнаруживающего излучения и ослаблять излучение с другими длинами волн.

Известное устройство имеет следующие недостатки:

- отраженное излучение отражается под разными углами и поэтому не всегда возвращается обратно к источнику излучения;

- окружающая искомый объект среда обладают высокой отражающей способностью и может отражать длины волн обнаруживающего излучения, что приводит к ложному срабатыванию регистрирующего устройства;

- фоновая солнечная радиация вызывает фоновый шум, что снижает точность обнаружения искомого объекта особенно в дневное время суток.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для обнаружения объектов, рассмотренное в заявке на изобретение [WO 2007/003015; PCT/AU 2006/000956]. Устройство состоит из источника электромагнитного излучения, способного облучать область, содержащую искомый объект, первого поглотителя, связанного с искомым объектом и чувствительного к указанному излучению, первого излучателя, связанного с искомым объектом, второго поглотителя, связанного с искомым объектом и чувствительного к указанному излучению, второго излучателя, связанного с искомым объектом, и детектора, способного обнаруживать первый и второй сигналы и обеспечивать вывод на индикатор положения искомого объекта.

Недостатками известного устройства являются:

- относительно ограниченные функциональные возможности, связанные, в частности, с неиспользованием программного обеспечения при обнаружении, отслеживании и считывании флуоресцентного матричного кода;

- относительно большая погрешность идентификации искомого объекта с флуоресцентным матричным кодом, обусловленная, в частности, отсутствием устройства для автофокусировки объектива камеры и поворотного устройства.

Задача изобретения заключается в исключении указанных недостатков, а именно, в расширении функциональных возможностей способа и снижении погрешности идентификации искомого объекта.

Задача полезной модели заключается в исключении указанных недостатков, а именно, в расширении функциональных возможностей способа и снижении погрешности идентификации искомого объекта.

Для исключения указанных недостатков в устройстве для обнаружения, отслеживания и считывания флуоресцентного матричного кода предлагается:

- нанести на искомый объект флуоресцентный матричный код;

- в состав ридера включить источник электромагнитного излучения, по меньшей мере, один светофильтр, камеру, анализатор, вычислительную машину и оптоэлектронный преобразователь, подключенный к камере;

- в объективе камеры предусмотреть оптический зуммер и устройство автофокусировки;

- камеру смонтировать на поворотном устройстве для сканирования и(или) отслеживания флуоресцентного матричного кода;

- вычислительную машину снабдить программным обеспечением для декодирования полученного электронного сигнала, архивирования полученной информации и подачи управляющих сигналов для активации оптического зуммера, устройства автофокусировки и поворотного устройства;

- выбор отношения фокусного расстояния к апертуре объектива осуществлять по соотношению, включающему, в том числе, линейный размер одного квадратного пикселя, нормировочный коэффициент, коэффициент преобразования фотонов в оптоэлектроны, число пикселей флуоресцентного матричного кода, времени экспозиции и количество фотоэлектронов порогового сигнала.

В частных случаях выполнения устройства предлагается:

- в качестве светофильтра использовать интерференционный спектральный фильтр, цветной стеклопластик или оптическое устройство, обладающее спектральной селективностью;

- в качестве камеры использовать светочувствительную матрицу, например, в виде видеокамер типа CCD, CMOS, CCD с многоканальной усилительной пластинкой, видеокон или фотоэлектронный умножитель в сочетании со сканирующим устройством;

- в состав ридера ввести дихроичное зеркало и установить его между светофильтром и объективом камеры.

Принципиальная схема устройства обнаружения, отслеживания и считывания флуоресцентного матричного кода представлена на фигуре, на которой приняты следующие обозначения: 1 - анализатор; 2 - вычислительная машина; 3 - искомый объект; 4 - источник электромагнитного излучения; 5 - камера; 6 - объектив камеры; 7 - оптический зуммер; 8 - оптоэлектронный преобразователь; 9 - поворотное устройство; 10 - светофильтр; 11 - устройство автофокусировки; 12 - флуоресцентный матричный код.

Устройство для обнаружения, отслеживания и считывания флуоресцентного матричного кода представляет собой следующее.

На искомый объект 3 нанесен флуоресцентный матричный код 12.

В состав ридера входят источник электромагнитного излучения 4, по меньшей мере, один светофильтр 10, камера 5, анализатор 1, вычислительная машина 2 и оптоэлектронный преобразователь 8, подключенный к камере 5.

В объективе 6 камеры 5 предусмотрены оптический зуммер 7 и устройство автофокусировки 11.

Камера 6 смонтирована на поворотном устройстве 9 для сканирования и (или) отслеживания флуоресцентного матричного кода 12. Поворотном устройстве 9 позволяет совместить положение флуорисцентного матричного кода 12 с центром объектива 6 камеры 5.

Вычислительная машина 2 снабжена программным обеспечением для декодирования полученного электронного сигнала, архивирования полученной информации и подачи управляющих сигналов для активации оптического зуммера 7, устройства автофокусировки 11 и поворотного устройства 9.

Отношение фокусного расстояния к апертуре объектива удовлетворяет соотношению

где f₀ - отношение фокусного расстояния к апертуре объектива,

- линейный размер одного квадратного пикселя; м;

k - нормировочный коэффициент, (м²с)^-1;

- коэффициент преобразования фотонов в оптоэлектроны,

N - число пикселей флуоресцентного матричного кода 12;

- время экспозиции, с;

N_pe - количество фотоэлектронов порогового сигнала.

В частных случаях выполнения устройства предусмотрено следующее.

Светофильтр 10 представляет собой интерференционный спектральный фильтр, цветной стеклопластик или оптическое устройство, обладающее спектральной селективностью.

В качестве камеры 5 используют светочувствительную матрицу, например, в виде видеокамер типа CCD, CMOS, CCD с многоканальной усилительной пластинкой, видеокон или фотоэлектронный умножитель в сочетании со сканирующим устройством.

В состав ридера входит дихроичное зеркало, установленное между светофильтром 10 и объективом 6 камеры 5. Дихроичное зеркало позволяет при наличии более двух флуоресцентных матричных кодов 12 разделять их увеличить на несколько порядков информативность двумерных флуоресцентных матричных кодов 12. Например, флуоресцентный матричный код 12, нанесенный на искомый объект 3 в виде двухцветной «шахматной доски» размером 6×6=36, позволит заключить информацию в флуоресцентном матричном коде 12, размером 2³⁶ или 70 млрд бит.

Устройство работает следующим образом.

На искомый объект 3, находящийся в зоне доступа источника электромагнитного излучения 4, подают электромагнитное излучение определенной частоты.

Сканируют искомый объект 3.

Посредством электромагнитного излучения возбуждают флуоресцентный матричный код 12, нанесенный на искомый объект 3. Последовательно пропускают ответное электромагнитное излучение от флуоресцентного матричного кода 12, по меньшей мере, через один светофильтр 10 и фильтруют ответное электромагнитное излучение.

Собирают, обнаруживают и регистрируют отфильтрованное ответное электромагнитное излучение от флуоресцентного матричного кода 12 камерой 5.

Преобразуют камерой 5 с помощью оптоэлектронного преобразователя 8 отфильтрованное ответное электромагнитное излучение в электронный сигнал.

Подают электронный сигнал в вычислительную машину 2.

Анализируют электронный сигнал в вычислительной машине 2 с помощью программного обеспечения.

Идентифицируют обнаруженный флуоресцентный матричный код 12.

При превышении порога срабатывания камеры 5 выдают команду на оптический зуммер 7, поворотное устройство 9 и устройство автофокусировки 11.

Наводят камеру 5 на флуоресцентный матричный код 12 и совмещают его изображение с центром объектива 6 камеры 5.

Регулируют экспозицию камеры 5 для оптимизации яркости флуоресцентного матричного кода 12 при минимальной засветке фоновым электромагнитным излучением.

Изменяют фокусное расстояние объектива 6 камеры 5 до появления четкости изображения, позволяющей считать флуоресцентный матричный код 12 без искажений.

Регулируют резкость изображения объективом 6 камеры 5.

Считывают флуоресцентный матричный код 12 с использованием вычислительной машины 2, снабженной программным обеспечением.

С использованием вычислительной машины 2 декодируют полученный электронный сигнал, архивируют полученную информацию и подают управляющие сигналы для активации оптического зуммера 7, устройства автофокусировки 11 и поворотного устройства 9.

Из полученного электронного сигнала вычитают присущий данной камере 5 электронный сигнал, соответствующий электронному сигналу, полученному при отсутствии флуоресцентного матричного кода 12.

Наличие флуоресцентного матричного кода 12 позволяет:

- существенно улучшить контраст, сигнал-шум;

- обеспечить дистанционное считывание от 0,5 м до 1 км;

- считывать информацию под различными углами.

В частных случаях работы устройства выполняют следующее.

Увеличение фокусного расстояния объектива камеры осуществляют пошагово, итерационным способом и(или) векторным способом.

В качестве электромагнитного излучения используют ультрафиолетовое излучение, видимое излучение или излучение ближнего инфракрасного диапазона.

Пример конкретного выполнения устройства

Устройство включает флуоресцентный матричный код 12 в виде двухмерного кода, нанесенного флуоресцентными красителями на искомый объект 3. В ридере используют следующие составные элементы. В качестве источника электромагнитного излучения 4 используют лазер видимого оптического диапазона (Green DPSS laser module, 20 мВт), дихроичное зеркало (FF562-Di02-25×36, Semrock), светофильтр 10 (FFO 1-562/40-25, Semrock), матричную камеру 5 типа CCD (SDU-415, Sony), анализатор 1 (декодер, 2D-Technology Group), вычислительную машину 2 (VGN-SZ44GN, Sony), оптический зуммер 7, устройство автофокусировки 11 и поворотное устройство 9. Искомый объект 3 располагают на расстоянии 10 м от источника электромагнитного излучения 4. Частота электромагнитного излучения имеет частоту 5,64×10¹⁴ Гц (длина волны 532 нм). Частота излучения лазера равна 5,64×10¹⁴ Гц. Возбуждают флуоресцентный матричный код 12, нанесенный на искомый объект 3 и получают Эмиссия электромагнитного излучения, возникающая после возбуждения флуоресцентного матричного кода 12, имеет частоту 5,56×10¹⁴ Гц (или 540 нм). Отфильтрованное ответное электромагнитное излучение с имеет частоту 5,56 10¹⁴ Гц. Порог срабатывания камеры 5 составляет 400 фотонов в секунду, а ее экспозиция - 10 мс при засветке фоновым электромагнитным излучением равным 200 фотонов в секунду. Фокусное расстояние между линзами объектива 6 камеры 5 равно 22 мм. Увеличение фокусного расстояния камеры 5 выполняют с помощью программного обеспечения пошагово с шагом 1 мм.

Технический результат полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей известных технических решений и снижении погрешности идентификации искомого объекта.

Предложенное техническое решение реализовано в виде опытного образца и подтвердило указанный ранее технический эффект при его использовании.

1. Устройство для обнаружения, отслеживания и считывания флуоресцентного матричного кода, включающее флуоресцентный матричный код, нанесенный на искомый объект, ридер, в состав которого входят источник электромагнитного излучения, по меньшей мере, один светофильтр, камера, анализатор, вычислительная машина и оптоэлектронный преобразователь, подключенный к камере, в объективе камеры предусмотрены оптический зуммер и устройство автофокусировки, камера смонтирована на поворотном устройстве для сканирования и (или) отслеживания флуоресцентного матричного кода, причем вычислительная машина снабжена программным обеспечением для декодирования полученного электронного сигнала, архивирования полученной информации и подачи управляющих сигналов для активации оптического зуммера, устройства автофокусировки и поворотного устройства, а отношение фокусного расстояния к апертуре объектива удовлетворяет соотношению

где f₀ - отношение фокусного расстояния к апертуре объектива;

- линейный размер одного квадратного пикселя, м;

k - нормировочный коэффициент, (м²с)^-1;

- коэффициент преобразования фотонов в оптоэлектроны;

N - число пикселей флуоресцентного матричного кода;

- время экспозиции, с;

N_pe - количество фотоэлектронов порогового сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светофильтр представляет собой интерференционный спектральный фильтр, цветной стеклопластик или оптическое устройство, обладающее спектральной селективностью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве камеры используют светочувствительную матрицу, например, в виде видеокамер типа CCD, CMOS, CCD с многоканальной усилительной пластинкой, видеокон или фотоэлектронный умножитель в сочетании со сканирующим устройством.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав ридера входит дихроичное зеркало, установленное между светофильтром и объективом камеры.