УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ МИКРООБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к переносным осветительным устройствам, предназначенным для идентификации микрообъектов, содержащих в своем составе люминофоры излучающие в инфракрасной области спектра, путем регистрации невидимого ИК антистоксового излучения под действием возбуждающего ИК излучения.
Метки с антистоксовой люминесценцией основаны на использовании специальных красок, содержащих антистоксовские люминофоры. Антистоксовые люминофоры представляют собой порошковые материалы, активированные соединениями на основе оксидов, фторидов, оксисульфидов и оксихлоридов иттрия и некоторых других элементов и предназначены для преобразования длинноволнового ИК-излучения (1,5-1,6 мкм) в коротковолновое (0,8-1,02 мкм) и ИК-диапазона 0,9-1,07 мкм в видимый свет различных цветов. Эти люминофоры могут эффективно использоваться для маркировки микрообъектов.
Обычно для обнаружения ИК антистоксовой люминесценции используются ИК видеокамеры либо визуализаторы ИК излучения и соответствующий осветитель. При этом обнаружение производится путем визуального наблюдения излучения люминесценции на экране (RU 2379194, RU 2010142292, RU 21453, RU 55140).
Известно устройство и способ визуализации защитного элемента на документах («Защищенный от подделки ценный документ с защитным элементом (варианты), способ защиты от подделки ценного документа (варианты), устройство визуализации и защитный элемент (варианты)». Патент РФ 2379194, публ. 20.01.2010.) содержащее расположенные под углом относительно защитного элемента излучатели (полупроводниковые светодиоды), конденсоры и светофильтры, а также элемент, препятствующий попаданию на контролируемый документ внешней засветки и видеокамеру, передающую сигнал на устройство отображения. Принцип функционирования устройства основан на регистрации человеческим глазом динамически изменяющегося визуального эффекта, создаваемого на дисплее устройства за счет разницы в коэффициенте диффузного отражения пигмента при различном спектральном составе освещения в видимом и/или ближнем ИК-диапазоне оптического спектра, и за счет люминесценции в видимом диапазоне спектра и/или люминесценции в ближнем ИК диапазоне спектра, при этом спектр диффузного отражения красителя и спектр возбуждения люминофора согласованы для обеспечения проявления свойств обоих веществ. Недостатком данного устройства является сложность соотнесения отклика устройства с рисунком на поверхности банкноты, так как оператору необходимо переводить взгляд с документа на монитор устройства, чтобы визуально сопоставить документ с его изображением.
Известно устройство для детектирования люминесцирующих микрообъектов, а именно, устройство для визуализации защитных меток на документе («Устройство для визуализации защитных меток на документе», Патент РФ 2444064, публ. 27.02.2012), содержащее корпус, в котором размещены два источника излучения, первый из которых - мощный лазер, предназначенный для возбуждения антистоксовской люминесценции, а второй источник (светодиод или маломощный полупроводниковый лазер видимого диапазона) формирует видимый образ на поверхности документа, при этом он может включаться в заданной периодической последовательности, характеризующей вид обнаруженной метки, а также менять цвет свечения, а также фотоприемник и подключенный к нему световой индикатор люминесценции. Излучение, исходящее из облученной зоны документа, регистрируется при помощи фотоприемника. Изобретение ориентировано на визуализацию инфракрасных меток и меток с антистоксовой люминесценцией в видимой области спектра, однако оно может быть использовано для визуализации меток инфракрасной антистоксовой люминесценции. Известное устройство обладает широкими диагностическими возможностями, является достаточно сложным, однако оно обладает спецификой ограниченного использования, т.к. предназначено исключительно для исследования плоских объектов с участием оператора, что ограничивает эксплуатационные характеристики и возможности исследования иных объектов.
Известное устройство для визуализации защитных меток на документе, содержащее корпус, источник лазерного инфракрасного света, фотоприемник, световой индикатор люминесценции, подключенный к фотоприемнику, выбрано в качестве ближайшего аналога к заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных характеристик прибора за счет выполнения его автономным, т.е. выделяющим микрообъекты по их люминесценции без участия оператора, и портативным.
Задача решена тем, что устройство для идентификации люминесцирующих микрообъектов, включающее корпус, лазерный источник ИК света, фотоприемник, световой индикатор, подключенный к фотоприемнику, в соответствии с полезной моделью, снабжено автономным источником питания, платой управления включением лазерного источника ИК света, оснащенной контроллером, платой преобразования принимаемого оптического излучения в электрический сигнал, звуковым индикатором, при этом корпус устройства выполнен в виде рукоятки с кнопочным выключателем, а автономный источник питания размещен в изолированной камере, выполненной в виде легкосъемного модуля с обеспечением присоединения к корпусу устройства в его нижней части и электрической связи с кнопочным выключателем, контроллером и световым и звуковым индикаторами.
Кроме того, угол между оптической осью фотоприемника и оптической осью излучателя составляет 32°.
Кроме того, фотоприемник снабжен светофильтром.
Кроме того, фотоприемник подключен к плате преобразования принимаемого оптического излучения в электрический сигнал.
Кроме того, световой индикатор размещен на корпусе.
Кроме того, звуковой индикатор размещен в корпусе.
Кроме того, в качестве звукового индикатора выбран пьезоакустический преобразователь.
Кроме того, в качестве автономного источника питания выбрана аккумуляторная батарея.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении световой и звуковой сигнализации об обнаружении микрообъектов, имеющих в составе антистоксовые люминофоры, излучающие в невидимой области оптического спектра.
Сущность полезной модели иллюстрируют фиг.1, на которой представлен внешний вид устройства, фиг.2 и фиг.3 на которой представлен оптоэлектронный блок устройства, фиг.4, на которой представлена принципиальная схема устройства.
Устройство (фиг.1) содержит профилированный корпус 1 с рукояткой 2 и размещенной на рукоятке кнопочным выключателем 3, оптоэлектронный блок 4, присоединяемый к корпусу, съемный модуль с аккумуляторной батареей, как автономным источником питания 5, для которого зарядное устройство является внешним, и выделено в отдельный блок (на фиг.1 не показан).
Оптоэлектронный блок 4, содержит (фиг.2, фиг.3) источник ИК излучения (излучатель) - лазер 7, приемник излучения (фотоприемник) 8, плату управления 9 включением лазерного источника ПК света, оснащенную контроллером (микроконтроллером) 10 (на фиг.2, фиг.3 не показан), и плату преобразования 11 принимаемого оптического излучения в электрический сигнал, закрепленных винтами на основании 12. Платы 9, 11 размещены параллельно. Оптическая ось фотоприемника 8 ориентирована под углом 32° к оптической оси излучателя 7, совпадающей (в работе) с нормалью к исследуемой поверхности, что обеспечивает максимальную эффективность обнаружения люминесценции, т.к. при этом корпус фотоприемника 8 смещен относительно оси излучателя 7 для исключения затенения объекта. Оптоэлектронный блок 4 выполнен съемным, фиксируется внутри рукоятки 2 с помощью крепежных элементов. Светофильтр 6 закреплен в корпусе прибора 1 перед фотоприемником 8, в качестве которого использован фотодиод. Светофильтр 6 служит для выделения люминесцентного излучения с длиной волны 1-3 мкм.
Плата управления включением лазерного источника ИК света 9 (фиг 4.), оснащенная контроллером 10 и усилителем мощности 13, обеспечивает включение / выключение лазерного источника ИК света 7 при нажатии кнопочного выключателя 3, измерение напряжения на аккумуляторной батарее и индикацию разряда аккумуляторов с последующим выключением устройства при полном их разряде, измерение температуры внутри устройства и индикацию перегрева с последующим выключением устройства при достижении максимально допустимой температуры 45°С, питание лазерного источника ИК света 7 рабочим током с заданной частотой, подачу световой и звуковой сигнализации при обнаружении излучения люминесценции. Плата преобразования принимаемого оптического излучения в электрический сигнал 11 (фиг.4) содержит усилитель сигнала фото приемника 14, синхронный детектор 15 и фильтр низких частот 16. Плата преобразования 11 обеспечивает преобразование принимаемого оптического люминесцентного излучения микрообъектов в электрический сигнал, передаваемый на плату управления 9 с целью последующего анализа и выделения излучения люминесценции микрообъектов.
Принцип работы устройства идентификации люминесцентных микрообъектов поясняет фиг.4.
При нажатии кнопки выключателя 3 питание от автономного источника питания, размещенного в камере 5 (аккумуляторная батарея), поступает на управляющий контроллер 10, размещенный на плате управления 9 в рукоятке 2 корпуса 1. О начале работы устройства сигнализирует световой индикатор 17, размещенный на рукоятке 2 со стороны оператора (на фиг.1 не показан), при этом контроллер 10 начинает генерировать два прямоугольных сигнала одинаковой частоты (около 30 Гц), но сдвинутых относительно друг друга по фазе. Первый сигнал используется для управления лазерным источником ИК излучения 7. Второй сигнал, задержанный по фазе, подается на синхронный детектор 15 и используется как опорный. Сдвиг по фазе между управляющим и опорным сигналами обусловлен тем, что существует задержка между началом импульса накачки, который генерирует лазерный источник ИК излучения 7, и началом свечения облучаемого люминофора. Оператор сканирует место предполагаемой локализации микрообьектов на минимальном расстоянии от входного окна устройства до исследуемой поверхности, ориентируя ось источника излучения 7 по нормали к исследуемой поверхности. Излучение от освещаемой области проходит через светофильтр 6 и попадает на фотоприемник 8. При отсутствии люминесценции в зоне обнаружения фотоприемника 8 с выхода усилителя сигнала 14 на вход синхронного детектора 15 поступает сигнал, состоящий из собственных шумов фотоприемника 8 и усилителя сигнала 14, а также внешние наводки. Этот сигнал при перемножении с опорным сигналом дает на выходе синхронного детектора 15 сигнал переменного напряжения, симметричный относительно нуля. Проходя через фильтр низких частот 16, этот сигнал ослабляется до уровня нескольких милливольт. При появлении в зоне обнаружения фотоприемника 8 люминесценции с частотой возбуждения, на выходе усилителя сигнала 14 помимо шумового сигнала также будет присутствовать полезный сигнал. Теперь при перемножении с опорным сигналом на выходе синхронного детектора 15 будет присутствовать сигнал переменного напряжения с постоянной составляющей, тем большей, чем больше уровень люминесценции. Постоянная составляющая проходит через фильтр низких частот 16 практически без ослабления и подается на вход контроллера 10, который измеряет ее уровень и сравнивает с порогом обнаружения. При превышении порога обнаружения контроллер 10 выдает сигналы для световой (световой индикатор 17 мигает) и звуковой сигнализации (звуковой индикатор 18). В качестве звукового индикатора может быть выбран пьезоэлектрический преобразователь, например, пьезокерамический звонок сакустической камерой, выполненный в виде полого цилиндра, одно основание которого является пьезоблоком, а другое - крышка с отверстием, причем акустический резонанс внутренней полости цилиндра и механический резонанс пьезоблока близки по частоте. В качестве звукового индикатора такого типа может быть использован промышленно выпускаемый звонок типа ЗП-31 с резонансной частотой 4,5 кГц, создающий звуковое давление 80 дБ и имеющий габариты - диаметр 17 мм, высота 5 мм. Кроме того, контроллер 10 контролирует уровень разрядки аккумулятора, который питает все устройство идентификации, и температуру лазерного источника ИК излучения 7, не допуская его перегрева, в противном случае контроллер 10 выдает соответствующие сигналы световой и звуковой сигнализации и отключает устройство идентификации. Отключение устройства производиться при нажатии на кнопку выключателя 3.
Профилированный (антропометрический, эргономичный) корпус рукоятки 2 с единственной кнопкой выключателя 3 позволяет удобно удерживать устройство в руке в течение продолжительного времени, повышая производительность труда.
Устройство для идентификации люминесцирующих микрообъектов, выполненное по заявляемой конструкции, использовали для идентификации микрообъектов с нанесенным инфракрасным антистоксовым люминофором - ФАМ - 810/1000-1. Особенностью этого люминофора является ИК люминесценция в спектральной области 800-900 нм под действием ИК излучения с длиной волны 1550 нм. Введение небольшого количества этого люминофора позволяет эффективно идентифицировать микрообъект по невидимому глазом ИК излучению. Микрообъекты наносили на маркируемый объект. После включения устройства, производили сканирование исследуемой поверхности на минимальном расстоянии от входного окна устройства до исследуемой поверхности. При превышении порогового уровня излучения на выходе фотоприемника поступал сигнал на световой и звуковой индикаторы. В примере выполнения в качестве лазерного источника ИК-излучения использовали полупроводниковый лазер LFO-525, длина волны излучения - 1550±30 нм, мощность излучения 250 мВт. В качестве фотоприемника использовали кремниевый фотодиод КДФ117А5 со следующими характеристиками:
- Эффективная фоточувствительная площадь
- 40,0 мм<sup>2</sup>;
- Спектральный диапазон
- 700-1000 нм;
- Длина волны максимума чувствительности
- 890 нм;
1
2
- Удельная обнаружительная способность при Т=25 С, λ=870 нм, U=10 мВ-2,6*1013 см·Гц//Вт;
В качестве автономного источника питания использовали аккумуляторную Li-Po (литий-полимерную) батарею HP-LG325-1600-2S фирмы Hyperion третьего поколения (G3). Аккумуляторы данного типа специально разработаны для эксплуатации в сложном портативном оборудовании.
Расстояние обнаружения микрообъектов с инфракрасным антистоксовым люминофором при использовании указанных элементов составляло: 10-30 мм.
Конструкция устройства позволила создать облегченное переносное устройство идентификации люминесцентных микрообъектов массой около 1,0 кг, включая аккумуляторный модуль, и габаритами не более 220×70×70 мм, что обеспечивает удобство и эргономичность в работе оператора, вариабельность методик исследования, высокую ремонтопригодность, за счет чего может быть достигнута высокая экономическая эффективность при инспекционных исследованиях в различных условиях.