CN1170249C - 高容量信息编码与解码方法及装置 - Google Patents

Abstract

高容量信息编码与解码方法及装置中，信息的编码方法为将具有不同发光特性、且发光特性能够被区分的不同纳米量子点分散组装到信息载体上；解码方法为用一短波长激光照射并激发信息载体，使信息载体中纳米量子点发出相应的组合特征光谱，利用窄带通光学滤波片105分别获取对应不同纳米量子点的特征光谱，从而取出各种纳米量子点所携带的信息，解码装置中激光器104安装在接收器上，接收器中光电接收转换阵列106的输出信号依次连接解码电路112中的信号放大电路107、模数转换电路108、译码电路109、编码校验电路110，解码电路112的输出端接信号处理与显示用的计算机113。

Description

高容量信息编码与解码方法及装置

一、技术领域

本发明属于信息编码与解码技术领域，特别是涉及利用特定的纳米量子点光谱并结合窄带通光学滤波片与光电转换元件及解码电路构成的一种新型的、可用于高容量信息编码与解码的方法及其器件。

二、背景技术

信息编码是日常工作与生活中最为常用的技术之一。现在已有的技术主要有条形码技术、磁条码技术与智能卡(IC)技术。条形码技术是利用一组按特定规则排列的条、空及其对应字符组成的表示一定信息的符号，并由光电扫描设备解读条码上的信息。显然，条形码在特定条件下信息容量有限，难以满足当前信息化社会日益增长的信息量要求。此外，条形码容易磨损，无法长期使用。磁条码技术常用于磁卡中，它是利用磁层或磁条中的磁道以记录有关信息数据，磁条在遇到磁场、静电、扭弯、刮伤等情况下，存储在里面的信息容易丢失或导致信息读取的错误，而且其信息存储密度低，一般磁卡的存储容量最大只有几百个字节，而磁条只有几十个字节。再者，磁条上的信息有读写次数较少的缺陷，且磁卡的读写设备含有精密机械及信号转换装置，因此成本较高。一个简单的读卡装置售价都在几百元，而复杂一点的读写卡装置要几千元，而且可靠性低、维护量大。智能卡按存储介质分为两种：存储卡(Memory Card)和智能卡(Smart Card)。智能卡又名CPU卡，它是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片，在集成电路中具有微电脑CPU和存储器，智能卡具有暂时或永久的数据存储能力，其内容可供外部读取或供内部处理和判断之用，同时还具有逻辑处理功能，用于识别和响应外部提供的信息和芯片本身判定路线和指令执行的逻辑功能。存储卡是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成便于人们携带的卡片，具有记忆存储功能，不带CPU。虽然IC卡在使用寿命、信息容量等方面相对磁卡技术有很大的进步，但由于制备技术的限制，其成本较高。

信息技术的发展对信息的存储与处理的安全性要求也与日俱增。就上述产品而言，由于尺寸较大且容易仿制，不具有很好的防伪性和保密性，因此不能满足日益重视的安全性应用要求。例如磁卡上应用的安全技术，如水印技术、全息技术、精密磁记录技术等，随着时间的推移其相对安全性已大为降低。同时，由于磁卡本身结构简单、磁条(磁层)暴露在外、存储容量小、无内部安全保密措施等，使其容易被破译。如金融储蓄卡，其个人密码长度仅为4至6位十进制数，较易破译和伪造。

三、技术内容

1、发明问题

本发明目的在于提供一种成本低、体积小、信息存储容量大、保密性强的高容量信息编码与解码方法及装置。

2、技术方案

一种高容量信息编码与解码方法，其编码方法为将具有不同发光特性、且发光特性能够被区分的不同纳米量子点分散组装到信息载体上；解码方法为用一短波长激光照射并激发信息载体，使信息载体中的纳米量子点发出相应的组合特征光谱，利用窄带通光学滤波片分别获取对应不同纳米量子点的特征光谱，从而取出各种纳米量子点所携带的信息，在将纳米量子点组装到载体上时，纳米量子点可以互相重叠，且没有位置排列要求，每一种具有独特发光特性的纳米量子点代表二进制数中规定的某一数据位，在信息载体中，有该种纳米量子点时该数据位上所代表的信息为“1”，反之则该数据位上所代表的信息为“0”，每种信息编码单元分别是一种发光波长介于400nm至红外波段的纳米量子点材料，信息载体包括三层，最下一层为基片，中间一层为信息编码载体即各种纳米量子点组合，最上一层为封装材料，采用滴定、打印、涂敷、印刷等方式将信息编码载体组装到信息载体上，其中每一个点或每一条线、或每一小块，代表一组n位的二进制数，不同窄带通光学滤波片的通光波长应与信息载体中的各种纳米点的特征发光波长一一对应，其带宽分辨能力要求优于20nm，解码装置包括激光器以及由窄带通光学滤波片、光电接收转换阵列、解码电路组成的接收器，激光器安装在接收器上，接收器中光电接收转换阵列的输出信号依次连接解码电路中的信号放大电路、模数转换电路、译码电路、编码校验电路，解码电路的输出端接信号处理与显示用的计算机。

3、技术效果

本发明的编码与解码方法具有明显的技术优势：由于利用了不同半导体纳米量子点独特的发光特性，信息载体上保存的信息可以避免恶劣环境中电磁信号对其的干扰及破坏(例如磁记录方法)，具有极好的稳定性；纳米量子点本身的尺寸决定了该元件的尺寸很小，便于隐蔽与携带；信息载体由大量的不同尺寸的纳米量子点混合构成，因此不易仿制，具有很好的保密性；由于纳米量子点的数目种类可以调整，故编码具有灵活多样的特点；光电响应与集成解码电路可以实现极快的解码过程；此外，信息载体低成本、无能耗、高环保、同现有的微电子工艺兼容，易于大规模开发与集成；

四、附图说明

图1是信息编码元件的结构示意图。其中包括封装材料101、信息编码载体102、基片103。

图2是信息解码装置的结构示意图。其中有激光器104、窄带通光学滤波片105、光电接收转换阵列106、信号放大电路107、模数转换电路108、译码电路109、编码检验电路110、电源111、解码电路112、计算机113。

图3是信息编码原理示意图。其中包含具有独特发光特性的不同纳米量子点114、各纳米量子点的发光特性曲线115、各种量子点发光特性对应的数据位116、信息载体包含A、B、C、D、E、F六种纳米量子点时对应的信息117。

图4是对应图3的信息载体中仅包含了A、C、E、F四种纳米量子点时对应的信息。

图5是对应图3的信息载体中仅包含了B、E、F三种纳米量子点时对应的信息。

图6是信息解码原理原理示意图。其中激光器104照射并激发信息载体102，信息载体发出的特征组合光谱由窄带通光学滤波片和光电转换器件组成的集成元件118鉴别读取。

五、具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于纳米量子点特征光致发光特性，并结合光学滤波片与光电转换元件及解码电路构成的新型信息编码、解码方法与装置及实施方案。编码方法主要是利用不同成分与尺寸的半导体纳米量子点构成信息载体，由载体中包含的不同特定纳米量子点的种类、数量等决定的特定波长组合的荧光信息代表不同的编码；解码方法是用激光照射并激发信息载体，并利用不同波段的窄带通光学滤波片与光电转换阵列，获取载体中各种纳米点发出的特定波长组合的荧光信息，并将光信号转变为电信号，再由放大与译码等解码电路实现。由这种编码与解码方法构成的相应装置可以记录与处理高容量的信息。此外，按照本发明提出的方法：只要减小纳米量子点发光的半高宽并具备性能优良的窄带通滤波片，这类装置包含的信息编码的容量可进一步提高。

本发明的纳米信息编码与解码方法及装置主要包括信息编码部分与信息解码部分；

信息载体是由纳米尺度的、尺寸分布均匀的各种半导体纳米量子点构成；可通过成分调制、尺寸控制、表面修饰等技术与方法，控制纳米量子点中的量子效应、尺寸效应与界面效应，从而实现对纳米量子点电子能级的调制，获得从可见到红外波段不同波长的、半高宽很窄的发光特性，并使不同的特征光谱对应不同的信息位；将制备好的各种纳米量子点按一定的信息编码要求组装或分散到信息载体基片上，再进行封装，即完成信息载体的编码过程；

信息编码载体102(图1)的制备需要至少两种发光波长介于400nm至红外波段、具有不同特征光谱的纳米量子点；纳米量子点种类越多，可编码的信息越丰富；基片103可采用低荧光产率的材料；纳米量子点在基片上的分散组装可采用滴定、打印、涂敷、印刷等方法，组装时对各种纳米量子点的位置无特殊要求，不同纳米量子点可以互相重叠；信息载体的封装材料101采用低荧光产率、透光率高、化学稳定性好的材料，如高聚物薄膜等；

信息解码部分包括激发与接收转换两部分；激发是用短波长激光器照射信息载体，使信息载体中各种纳米量子点发出包含特定编码信息的组合特征光谱；解码方法的关键是利用相应于纳米量子点不同发光波长的窄带通光学滤波片，并将其安装在宽波段光电接收转换单元阵列的对应单元上，从而实现将载体中不同纳米量子点发出的特征光组合信号的编码转换为相应的电信号；与光电接收转换阵列相连的相关解码电路对电信号完成放大、模数转换、译码、校验等功能，并将解码后的信息输出到显示装置或计算机中，至此完成整个解码过程；

解码装置(图2)由激发器与接收器组成，激发器是直接将波长小于380nm的短波长半导体固体激光器104安装在接收器上；接收器由窄带通光学滤波片105、光电接收转换阵列106与解码电路112构成；不同波长的窄带光学滤波片可通过精确的多层薄膜光学制备方法实现，多层膜材料可采用具有不同折射率的氧化物；不同波长的窄带通光学滤波片在400nm到红外波段对相应特征波长的透光率应高于93％，带宽分辨能力要求优于20nm，对其它波长的透光率应低于2％；光电接收单元阵列可由高灵敏度光电二极管或全色CCD构成；光电转换后的信号通过解码电路(包括信号放大电路107、模数转换电路108、译码电路109、校验电路110、电源111)输入计算机113或相应的手持式信息读取装置完成解码并输出结果；

本发明的纳米高容量信息编码与解码方法，其信息编码的原理是：将具有不同发光特性(波长与半高宽)且发光特性能够被区分的不同纳米量子点分散组装到信息载体上，组装时对纳米量子点在载体上的位置排列没有特殊要求，纳米量子点可以相互重叠；假定某种纳米量子点的特征发光波长对应某一数据位的信息，当信息载体中存在该种纳米量子点时，将出现相应波长的特征光，则该数据位对应信息记为1，反之当信息载体中不存在该种纳米量子点时，则不会出现相应波长的特征光，该数据位对应信息记为0；以图3为例：如果载体中包含了A、B、C、D、E和F等六种不同发光特性的纳米量子点114，载体受激发后会出现上述六种纳米量子点的组合特征光谱115，则该载体所代表的信息就是“111111”；反之，如果载体中仅包含A、C、E、F四种或B、E、F三种纳米量子点，则代表的信息就分别是“101011”和“010011”，如图4和图5所示。

本发明中的解码原理是：见图6(对应图3情况)，用一短波长激光激发信息载体，则载体中包含的纳米量子点就会发出相应的组合特征光谱；利用窄带通光学滤波片可以分别获取对应不同纳米量子点的特征光谱，通过滤波片后的光电接收转换阵列将光信号转为电信号，并利用后续的解码电路112(图2)就可将载体中的编码信息读出，从而完成完整的信息读取功能；

本发明纳米高容量信息编码与解码方法中信息载体的编码密度可估计如下：当采用蓝光(350nm)激发，且信息载体中纳米量子点的发光波段从400nm到1400nm；假设不同纳米量子点可以发出特征波长分别位于400、420、440、……1380、1400nm的特征光，若各特征光的半高宽为10nm，而窄带通光学滤波片的分辨能力优于10nm，则上述400、420、440……1380、1400nm等特征光是可以分辨的，即该载体上存在的可分辨其特征光谱的纳米量子点的种类共有n＝(1400-400)/20+1＝51种，对应的数据位数目也是51；设相应特征光的有无分别对应于该数据位上信息的1与0，则该信息载体可实现的编码容量可高达2⁵¹≈10¹⁵，即约为一百万亿种编码；这种方法非常适合高容量编码，以地球上60亿总人口为例，如果每人都有一个不重复的身份证编号，按本方法仅需33种具有不同发光特性的纳米量子点即可实现；该方法原则上可用于所有需要信息编码、信息确认、信息保密等领域，如货币与产品防伪、身份认证、远距离传输编码信息等场合；

本发明中信息载体的制备可利用滴定、打印、涂敷、印刷等组装纳米量子点的方法，因此方便易行、成本低，可行性强；信息载体的尺寸可小于10微米，受激发光波长的限制，最小尺寸约为200nm；接收器的尺寸主要由光电接收阵列及解码电路决定，利用集成方式可进一步缩小接收器的尺寸；由于采用高灵敏光电接收方式，且信息载体中包含大量的纳米量子点，所以可保证信息的读取有很高的灵敏度与可信度；

实施例：半导体纳米量子点编码解码装置

1.信息编码装置的制备与调试

(1)利用金属有机前驱体热解法(Injection of precursor molecules into ahot surfactant，《Nature》，404，59)等技术制备各种半导体纳米量子点；通过控制制备条件(如温度、时间、溶液浓度等)获取不同尺寸大小的纳米量子点；本例中各种纳米量子点的光学特性要求如下：CdS的特征波长分别位于400、425、450、475、500nm左右；CdSe的特征波长分别位于525、550、575、600、625、650、675nm左右；CdTe的特征波长分别位于700、725、750、775、800nm左右；并保证各发光峰的半高宽小于20nm；这样共获得17种具有不同特征光谱的纳米量子点材料，并将各种纳米量子点分散存储在相应的溶液中。

(2)将上述制备好的、包含了各种不同发光特性的半导体纳米量子点的溶液分别滴至信息载体基片的同一微小区域(约为1毫米尺寸)，并在基片上覆盖一层100nm厚的透光高聚物薄膜；利用蓝光激发该区域，同时记录该基片上纳米量子点的发光特性，可见有17个可分辨的发光峰，分别对应(1)中制备的17种不同的纳米量子点材料的发光特征。

2.解码装置的制备与调试

(1)针对上述不同的、可分辨的纳米量子点特征光谱，采用氧化硅与氧化铌材料制备多层膜结构的窄带通光学滤波片，其带通特征波长分别对应上述各种纳米量子点的特征发光波长，带通宽度为15nm(小于纳米量子点的发光半高宽)；针对上述不同发光特性的纳米量子点，共需要17种相应的窄带通光学滤波片，此过程完成对码步骤；

(2)利用全色成像CCD作为光电转换元件阵列，将CCD中光敏元件组合成4×5的阵列，将步骤(1)中制备好的17种滤波片单元切割成合适的尺寸并按顺序分别安置到CCD转换器4×5阵列的各单元上，空余的3个CCD阵列单元用遮光材料覆盖；

(3)将(2)中覆盖有不同滤波片的CCD阵列按特征波长减小的顺序编制数据位，即覆盖有800nm波长滤波片的阵列单元对应为第1数据位，覆盖400nm波长滤波片的阵列单元对应为第17数据位；具体见下表：

波长(nm)  400，425，450，475，500，525，550，575，600，625，650，675，700，725，750，775，800

数据位    17， 16， 15， 14， 13， 12， 11， 10， 9，  8，  7，  6，  5，  4，  3，  2，  1

(4)用蓝光激光器照射步骤1中制备的信息编码载体，并利用上述覆盖有窄带通滤波片的CCD阵列将光信号转换为电信号，再经解码电路后输入计算机，此时获得的二进制代码应该为“11111111111111111”，十进制或十六进制代码分别为“131071”和“1FFFF”；

以上步骤完成了解码装置的制备与调试；

3.按所要求的编码，将具有不同发光特性的对应纳米量子点分散组装到信息载体上，该载体就具备了信息编码特征；例如：

(1)若要产生编码为“11271”的一个信息载体，先将其转变为二进制读数“00010110000000111”；按前面的编码方法只要选取六种纳米量子点分散到载体上即可；这些纳米量子点是：对应第1、第2、第3数据位的特征波长分别为800、775、750nm的CdTe纳米量子点；对应第11、第12数据位的特征波长分别为550、525nm的CdSe纳米量子点，对应第14数据位的特征波长为475nm的CdS纳米量子点；

(2)若要产生编码为“98621”的信息载体，由于“98621”对应的二进制读数为“11000000100111101”，则载体可选用对应第1、第3、第4、第5数据位的特征波长分别位于800、750、725、700的CdTe纳米量子点，对应第6、第9数据位的特征波长分别位于675、600nm的CdSe纳米量子点，对应第16、第17数据位的特征波长分别位于425、400nm的CdS纳米量子点，共8种纳米量子点构成。

Claims (8)

1、一种高容量信息编码与解码方法，其特征在于信息的编码方法为将具有不同发光特性、且发光特性能够被区分的不同纳米量子点采用滴定、打印、涂敷、印刷等方式将信息编码载体分散组装到信息载体上；解码方法为用一短波长激光照射并激发信息载体，使信息载体中纳米量子点发出相应的组合特征光谱，利用窄带通光学滤波片分别获取对应不同纳米量子点的特征光谱，将这种不同纳米量子点的特征光谱经光电转换、解码电路取出各种纳米量子点所携带的编码信息，从而取出各种纳米量子点所携带的信息。

2、根据权利要求1所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于在将纳米量子点组装到载体上时，纳米量子点可以互相重叠，且没有位置排列要求。

3、根据权利要求1或2所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于每一种具有独特发光特性的纳米量子点代表二进制数中规定的某一数据位，在信息载体中，有该种纳米量子点时该数据位上所代表的信息为“1”，反之则该数据位上所代表的信息为“0”。

4、根据权利要求3所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于每一种信息编码单元分别是一种可区分于其它信息编码单元的发光波长介于400nm至红外波段的纳米量子点材料”

5、根据权利要求1或2所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于信息载体包括三层，最下一层为基片(103)，中间一层为由各种纳米量子点的组合构成的信息编码载体(102)，最上一层为封装材料(101)。

6、根据权利要求5所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于采用滴定、打印、涂敷、印刷等方式将信息编码载体(102)组装到信息载体上，其中每一个点或每一条线、或每一小块，代表一组n位的二进制数。

7、根据权利要求1所述的高容量信息编码与解码方法，其特征在于不同窄带通光学滤波片的通光波长应与信息载体中的各种纳米点的特征发光波长一一对应，其带宽分辨能力要求优于20nm。

8、一种用于权利要求1所述的高容量信息编码与解码方法的装置，其特征在于编码部分的信息载体包括三层，最下一层为基片(103)，中间一层为由各种纳米量子点的组合构成的信息编码载体(102)，最上一层为封装材料(101)，解码装置包括激光器(104)以及由窄带通光学滤波片(105)、光电接收转换阵列(106)、解码电路(112)组成的接收器，激光器(104)安装在接收器上，接收器中光电接收转换阵列(106)的输出信号依次连接解码电路(112)中的信号放大电路(107)、模数转换电路(108)、译码电路(109)、编码校验电路(110)，解码电路(112)的输出端接信号处理与显示用的计算机(113)。

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