專利名稱：高容量信息編碼與解碼方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信息編碼與解碼技術領域，特別是涉及利用特定的納米量子點光譜并結合窄帶通光學濾波片與光電轉(zhuǎn)換元件及解碼電路構成的一種新型的、可用于高容量信息編碼與解碼的方法及其器件。
信息技術的發(fā)展對信息的存儲與處理的安全性要求也與日俱增。就上述產(chǎn)品而言，由于尺寸較大且容易仿制，不具有很好的防偽性和保密性，因此不能滿足日益重視的安全性應用要求。例如磁卡上應用的安全技術，如水印技術、全息技術、精密磁記錄技術等，隨著時間的推移其相對安全性已大為降低。同時，由于磁卡本身結構簡單、磁條(磁層)暴露在外、存儲容量小、無內(nèi)部安全保密措施等，使其容易被破譯。如金融儲蓄卡，其個人密碼長度僅為4至6位十進制數(shù)，較易破譯和偽造。
三、技術內(nèi)容1、技術問題本發(fā)明目的在于提供一種成本低、體積小、信息存儲容量大、保密性強的高容量信息編碼與解碼方法及裝置。
2、技術方案一種高容量信息編碼與解碼方法，其編碼方法為將具有不同發(fā)光特性、且發(fā)光特性能夠被區(qū)分的不同納米量子點分散組裝到信息載體上；解碼方法為用一短波長激光照射并激發(fā)信息載體，使信息載體中的納米量子點發(fā)出相應的組合特征光譜，利用窄帶通光學濾波片分別獲取對應不同納米量子點的特征光譜，從而取出各種納米量子點所攜帶的信息，在將納米量子點組裝到載體上時，納米量子點可以互相重疊，且沒有位置排列要求，每一種具有獨特發(fā)光特性的納米量子點代表二進制數(shù)中規(guī)定的某一數(shù)據(jù)位，在信息載體中，有該種納米量子點時該數(shù)據(jù)位上所代表的信息為“1”，反之則該數(shù)據(jù)位上所代表的信息為“0”，每種信息編碼單元分別是一種發(fā)光波長介于400nm至紅外波段的納米量子點材料，信息載體包括三層，最下一層為基片，中間一層為信息編碼載體即各種納米量子點組合，最上一層為封裝材料，采用滴定、打印、涂敷、印刷等方式將信息編碼載體組裝到信息載體上，其中每一個點或每一條線、或每一小塊，代表一組n位的二進制數(shù)，不同窄帶通光學濾波片的通光波長應與信息載體中的各種納米點的特征發(fā)光波長一一對應，其帶寬分辨能力要求優(yōu)于20nm，解碼裝置包括激光器以及由窄帶通光學濾波片、光電接收轉(zhuǎn)換陣列、解碼電路組成的接收器，激光器安裝在接收器上，接收器中光電接收轉(zhuǎn)換陣列的輸出信號依次連接解碼電路中的信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路、編碼校驗電路，解碼電路的輸出端接信號處理與顯示用的計算機。
3、技術效果本發(fā)明的編碼與解碼方法具有明顯的技術優(yōu)勢由于利用了不同半導體納米量子點獨特的發(fā)光特性，信息載體上保存的信息可以避免惡劣環(huán)境中電磁信號對其的干擾及破壞(例如磁記錄方法)，具有極好的穩(wěn)定性；納米量子點本身的尺寸決定了該元件的尺寸很小，便于隱蔽與攜帶；信息載體由大量的不同尺寸的納米量子點混合構成，因此不易仿制，具有很好的保密性；由于納米量子點的數(shù)目種類可以調(diào)整，故編碼具有靈活多樣的特點；光電響應與集成解碼電路可以實現(xiàn)極快的解碼過程；此外，信息載體低成本、無能耗、高環(huán)保、同現(xiàn)有的微電子工藝兼容，易于大規(guī)模開發(fā)與集成；
圖2是信息解碼裝置的結構示意圖。其中有激光器104、窄帶通光學濾波片105、光電接收轉(zhuǎn)換陣列106、信號放大電路107、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路108、譯碼電路109、編碼檢驗電路110、電源111、解碼電路112、計算機113。
圖3是信息編碼原理示意圖。其中包含具有獨特發(fā)光特性的不同納米量子點114、各納米量子點的發(fā)光特性曲線115、各種量子點發(fā)光特性對應的數(shù)據(jù)位116、信息載體包含A、B、C、D、E、F六種納米量子點時對應的信息117。
圖4是對應圖3的信息載體中僅包含了A、C、E、F四種納米量子點時對應的信息。
圖5是對應圖3的信息載體中僅包含了B、E、F三種納米量子點時對應的信息。
圖6是信息解碼原理原理示意圖。其中激光器104照射并激發(fā)信息載體102，信息載體發(fā)出的特征組合光譜由窄帶通光學濾波片和光電轉(zhuǎn)換器件組成的集成元件118鑒別讀取。
五、具體實施方案以下結合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明提供了一種基于納米量子點特征光致發(fā)光特性，并結合光學濾波片與光電轉(zhuǎn)換元件及解碼電路構成的新型信息編碼、解碼方法與裝置及實施方案。編碼方法主要是利用不同成分與尺寸的半導體納米量子點構成信息載體，由載體中包含的不同特定納米量子點的種類、數(shù)量等決定的特定波長組合的熒光信息代表不同的編碼；解碼方法是用激光照射并激發(fā)信息載體，并利用不同波段的窄帶通光學濾波片與光電轉(zhuǎn)換陣列，獲取載體中各種納米點發(fā)出的特定波長組合的熒光信息，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺儆煞糯笈c譯碼等解碼電路實現(xiàn)。由這種編碼與解碼方法構成的相應裝置可以記錄與處理高容量的信息。此外，按照本發(fā)明提出的方法只要減小納米量子點發(fā)光的半高寬并具備性能優(yōu)良的窄帶通濾波片，這類裝置包含的信息編碼的容量可進一步提高。
本發(fā)明的納米信息編碼與解碼方法及裝置主要包括信息編碼部分與信息解碼部分；信息載體是由納米尺度的、尺寸分布均勻的各種半導體納米量子點構成；可通過成分調(diào)制、尺寸控制、表面修飾等技術與方法，控制納米量子點中的量子效應、尺寸效應與界面效應，從而實現(xiàn)對納米量子點電子能級的調(diào)制，獲得從可見到紅外波段不同波長的、半高寬很窄的發(fā)光特性，并使不同的特征光譜對應不同的信息位；將制備好的各種納米量子點按一定的信息編碼要求組裝或分散到信息載體基片上，再進行封裝，即完成信息載體的編碼過程；信息編碼載體102(

圖1)的制備需要至少兩種發(fā)光波長介于400nm至紅外波段、具有不同特征光譜的納米量子點；納米量子點種類越多，可編碼的信息越豐富；基片103可采用低熒光產(chǎn)率的材料；納米量子點在基片上的分散組裝可采用滴定、打印、涂敷、印刷等方法，組裝時對各種納米量子點的位置無特殊要求，不同納米量子點可以互相重疊；信息載體的封裝材料101采用低熒光產(chǎn)率、透光率高、化學穩(wěn)定性好的材料，如高聚物薄膜等；信息解碼部分包括激發(fā)與接收轉(zhuǎn)換兩部分；激發(fā)是用短波長激光器照射信息載體，使信息載體中各種納米量子點發(fā)出包含特定編碼信息的組合特征光譜；解碼方法的關鍵是利用相應于納米量子點不同發(fā)光波長的窄帶通光學濾波片，并將其安裝在寬波段光電接收轉(zhuǎn)換單元陣列的對應單元上，從而實現(xiàn)將載體中不同納米量子點發(fā)出的特征光組合信號的編碼轉(zhuǎn)換為相應的電信號；與光電接收轉(zhuǎn)換陣列相連的相關解碼電路對電信號完成放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、譯碼、校驗等功能，并將解碼后的信息輸出到顯示裝置或計算機中，至此完成整個解碼過程；解碼裝置(圖2)由激發(fā)器與接收器組成，激發(fā)器是直接將波長小于380nm的短波長半導體固體激光器104安裝在接收器上；接收器由窄帶通光學濾波片105、光電接收轉(zhuǎn)換陣列106與解碼電路112構成；不同波長的窄帶光學濾波片可通過精確的多層薄膜光學制備方法實現(xiàn)，多層膜材料可采用具有不同折射率的氧化物；不同波長的窄帶通光學濾波片在400nm到紅外波段對相應特征波長的透光率應高于93％，帶寬分辨能力要求優(yōu)于20nm，對其它波長的透光率應低于2％；光電接收單元陣列可由高靈敏度光電二極管或全色CCD構成；光電轉(zhuǎn)換后的信號通過解碼電路(包括信號放大電路107、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路108、譯碼電路109、校驗電路110、電源111)輸入計算機113或相應的手持式信息讀取裝置完成解碼并輸出結果；本發(fā)明的納米高容量信息編碼與解碼方法，其信息編碼的原理是將具有不同發(fā)光特性(波長與半高寬)且發(fā)光特性能夠被區(qū)分的不同納米量子點分散組裝到信息載體上，組裝時對納米量子點在載體上的位置排列沒有特殊要求，納米量子點可以相互重疊；假定某種納米量子點的特征發(fā)光波長對應某一數(shù)據(jù)位的信息，當信息載體中存在該種納米量子點時，將出現(xiàn)相應波長的特征光，則該數(shù)據(jù)位對應信息記為1，反之當信息載體中不存在該種納米量子點時，則不會出現(xiàn)相應波長的特征光，該數(shù)據(jù)位對應信息記為0；以圖3為例如果載體中包含了A、B、C、D、E和F等六種不同發(fā)光特性的納米量子點114，載體受激發(fā)后會出現(xiàn)上述六種納米量子點的組合特征光譜115，則該載體所代表的信息就是“111111”；反之，如果載體中僅包含A、C、E、F四種或B、E、F三種納米量子點，則代表的信息就分別是“101011”和“010011”，如圖4和圖5所示。
本發(fā)明中的解碼原理是見圖6(對應圖3情況)，用一短波長激光激發(fā)信息載體，則載體中包含的納米量子點就會發(fā)出相應的組合特征光譜；利用窄帶通光學濾波片可以分別獲取對應不同納米量子點的特征光譜，通過濾波片后的光電接收轉(zhuǎn)換陣列將光信號轉(zhuǎn)為電信號，并利用后續(xù)的解碼電路112(圖2)就可將載體中的編碼信息讀出，從而完成完整的信息讀取功能；
本發(fā)明納米高容量信息編碼與解碼方法中信息載體的編碼密度可估計如下當采用藍光(350nm)激發(fā)，且信息載體中納米量子點的發(fā)光波段從400nm到1400nm；假設不同納米量子點可以發(fā)出特征波長分別位于400、420、440、……1380、1400nm的特征光，若各特征光的半高寬為10nm，而窄帶通光學濾波片的分辨能力優(yōu)于10nm，則上述400、420、440……1380、1400nm等特征光是可以分辨的，即該載體上存在的可分辨其特征光譜的納米量子點的種類共有n＝(1400-400)/20+1＝51種，對應的數(shù)據(jù)位數(shù)目也是51；設相應特征光的有無分別對應于該數(shù)據(jù)位上信息的1與0，則該信息載體可實現(xiàn)的編碼容量可高達251≈1015，即約為一百萬億種編碼；這種方法非常適合高容量編碼，以地球上60億總人口為例，如果每人都有一個不重復的身份證編號，按本方法僅需33種具有不同發(fā)光特性的納米量子點即可實現(xiàn)；該方法原則上可用于所有需要信息編碼、信息確認、信息保密等領域，如貨幣與產(chǎn)品防偽、身份認證、遠距離傳輸編碼信息等場合；本發(fā)明中信息載體的制備可利用滴定、打印、涂敷、印刷等組裝納米量子點的方法，因此方便易行、成本低，可行性強；信息載體的尺寸可小于10微米，受激發(fā)光波長的限制，最小尺寸約為200nm；接收器的尺寸主要由光電接收陣列及解碼電路決定，利用集成方式可進一步縮小接收器的尺寸；由于采用高靈敏光電接收方式，且信息載體中包含大量的納米量子點，所以可保證信息的讀取有很高的靈敏度與可信度；實施例半導體納米量子點編碼解碼裝置1.信息編碼裝置的制備與調(diào)試(1)利用金屬有機前驅(qū)體熱解法(Injection of precursor molecules into ahot surfactant，《Nature》，404，59)等技術制備各種半導體納米量子點；通過控制制備條件(如溫度、時間、溶液濃度等)獲取不同尺寸大小的納米量子點；本例中各種納米量子點的光學特性要求如下CdS的特征波長分別位于400、425、450、475、500nm左右；CdSe的特征波長分別位于525、550、575、600、625、650、675nm左右；CdTe的特征波長分別位于700、725、750、775、800nm左右；并保證各發(fā)光峰的半高寬小于20nm；這樣共獲得17種具有不同特征光譜的納米量子點材料，并將各種納米量子點分散存儲在相應的溶液中。
(2)將上述制備好的、包含了各種不同發(fā)光特性的半導體納米量子點的溶液分別滴至信息載體基片的同一微小區(qū)域(約為1毫米尺寸)，并在基片上覆蓋一層100nm厚的透光高聚物薄膜；利用藍光激發(fā)該區(qū)域，同時記錄該基片上納米量子點的發(fā)光特性，可見有17個可分辨的發(fā)光峰，分別對應(1)中制備的17種不同的納米量子點材料的發(fā)光特征。
2.解碼裝置的制備與調(diào)試(1)針對上述不同的、可分辨的納米量子點特征光譜，采用氧化硅與氧化鈮材料制備多層膜結構的窄帶通光學濾波片，其帶通特征波長分別對應上述各種納米量子點的特征發(fā)光波長，帶通寬度為15nm(小于納米量子點的發(fā)光半高寬)；針對上述不同發(fā)光特性的納米量子點，共需要17種相應的窄帶通光學濾波片，此過程完成對碼步驟；(2)利用全色成像CCD作為光電轉(zhuǎn)換元件陣列，將CCD中光敏元件組合成4×5的陣列，將步驟(1)中制備好的17種濾波片單元切割成合適的尺寸并按順序分別安置到CCD轉(zhuǎn)換器4×5陣列的各單元上，空余的3個CCD陣列單元用遮光材料覆蓋；(3)將(2)中覆蓋有不同濾波片的CCD陣列按特征波長減小的順序編制數(shù)據(jù)位，即覆蓋有800nm波長濾波片的陣列單元對應為第1數(shù)據(jù)位，覆蓋400nm波長濾波片的陣列單元對應為第17數(shù)據(jù)位；具體見下表波長(nm) 400，425，450，475，500，525，550，575，600，625，650，675，700，725，750，775，800數(shù)據(jù)位17， 16， 15， 14， 13， 12， 11， 10， 9， 8， 7， 6， 5， 4， 3， 2， 1(4)用藍光激光器照射步驟1中制備的信息編碼載體，并利用上述覆蓋有窄帶通濾波片的CCD陣列將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)解碼電路后輸入計算機，此時獲得的二進制代碼應該為“11111111111111111”，十進制或十六進制代碼分別為“131071”和“1FFFF”；以上步驟完成了解碼裝置的制備與調(diào)試；3.按所要求的編碼，將具有不同發(fā)光特性的對應納米量子點分散組裝到信息載體上，該載體就具備了信息編碼特征；例如
(1)若要產(chǎn)生編碼為“11271”的一個信息載體，先將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制讀數(shù)“00010110000000111”；按前面的編碼方法只要選取六種納米量子點分散到載體上即可；這些納米量子點是對應第1、第2、第3數(shù)據(jù)位的特征波長分別為800、775、750nm的CdTe納米量子點；對應第11、第12數(shù)據(jù)位的特征波長分別為550、525nm的CdSe納米量子點，對應第14數(shù)據(jù)位的特征波長為475nm的CdS納米量子點；(2)若要產(chǎn)生編碼為“98621”的信息載體，由于“98621”對應的二進制讀數(shù)為“11000000100111101”，則載體可選用對應第1、第3、第4、第5數(shù)據(jù)位的特征波長分別位于800、750、725、700的CdTe納米量子點，對應第6、第9數(shù)據(jù)位的特征波長分別位于675、600nm的CdSe納米量子點，對應第16、第17數(shù)據(jù)位的特征波長分別位于425、400nm的CdS納米量子點，共8種納米量子點構成。
權利要求
1.一種高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于信息的編碼方法為將具有不同發(fā)光特性、且發(fā)光特性能夠被區(qū)分的不同納米量子點分散組裝到信息載體上；解碼方法為用一短波長激光照射并激發(fā)信息載體，使信息載體中納米量子點發(fā)出相應的組合特征光譜，利用窄帶通光學濾波片分別獲取對應不同納米量子點的特征光譜，從而取出各種納米量子點所攜帶的信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于在將納米量子點組裝到載體上時，納米量子點可以互相重疊，且沒有位置排列要求。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于每一種具有獨特發(fā)光特性的納米量子點代表二進制數(shù)中規(guī)定的某一數(shù)據(jù)位，在信息載體中，有該種納米量子點時該數(shù)據(jù)位上所代表的信息為“1”，反之則該數(shù)據(jù)位上所代表的信息為“0”。
4.根據(jù)權利要求3所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于每一種信息編碼單元分別是一種發(fā)光波長介于400nm至紅外波段的納米量子點材料。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于信息載體包括三層，最下一層為基片(103)，中間一層為信息編碼載體(102)即各種納米量子點的組合，最上一層為封裝材料(101)。
6.根據(jù)權利要求5所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于采用滴定、打印、涂敷、印刷等方式將信息編碼載體(102)組裝到信息載體上，其中每一個點或每一條線、或每一小塊，代表一組n位的二進制數(shù)。
7.根據(jù)權利要求1所述的高容量信息編碼與解碼方法，其特征在于不同窄帶通光學濾波片的通光波長應與信息載體中的各種納米點的特征發(fā)光波長一一對應，其帶寬分辨能力要求優(yōu)于20nm。
8.一種用于權利要求1所述的高容量信息編碼與解碼方法的裝置，其特征在于解碼裝置包括激光器(104)以及由窄帶通光學濾波片(105)、光電接收轉(zhuǎn)換陣列(106)、解碼電路(112)組成的接收器，激光器(104)安裝在接收器上，接收器中光電接收轉(zhuǎn)換陣列(106)的輸出信號依次連接解碼電路(112)中的信號放大電路(107)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(108)、譯碼電路(109)、編碼校驗電路(110)，解碼電路(112)的輸出端接信號處理與顯示用的計算機(113)。
全文摘要
高容量信息編碼與解碼方法及裝置中，信息的編碼方法為將具有不同發(fā)光特性、且發(fā)光特性能夠被區(qū)分的不同納米量子點分散組裝到信息載體上；解碼方法為用一短波長激光照射并激發(fā)信息載體，使信息載體中納米量子點發(fā)出相應的組合特征光譜，利用窄帶通光學濾波片105分別獲取對應不同納米量子點的特征光譜，從而取出各種納米量子點所攜帶的信息，解碼裝置中激光器104安裝在接收器上，接收器中光電接收轉(zhuǎn)換陣列106的輸出信號依次連接解碼電路112中的信號放大電路107、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路108、譯碼電路109、編碼校驗電路110，解碼電路112的輸出端接信號處理與顯示用的計算機113。
文檔編號G06K7/10GK1445712SQ0214846
公開日2003年10月1日 申請日期2002年12月10日 優(yōu)先權日2002年12月10日
發(fā)明者侯建國, 王海千, 王曉平, 王兵, 潘登余, 盧威, 賴發(fā)春 申請人:中國科學技術大學