СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПРОВЕРКИ ПОДЛИННОСТИ БАНКНОТ, ЦЕННЫХ БУМАГ И ДОКУМЕНТОВ
METHOD FOR AUTOMATED AUTHENTICATION OF BANKNOTES, BOND PAPER AND DOCUMENTS

Изобретение относится к области защиты банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами), и может быть использовано для проверки подлинности указанных объектов, в том числе в системах их массового автоматизированного контроля.
Уровень техники
Известен патент [1], в котором подлинность документов предложено проверять по регистрации флуоресценции или фосфоресценции введенных в печатную жидкость кристаллических твердых частиц со средним диаметром менее 300 нм. В названном патенте предлагается большое число веществ, которые могут быть использованы в качестве добавок-люминофоров в составе указанных наночастиц. Недостатком такого способа является возможность имитации спектров флуоресценции и фосфоресценции с помощью других веществ.
В настоящее время известен один способ проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами) [2], включающий зондирование наличия указанных меток действием излучения оптического диапазона и совместным действием электромагнитного излучения оптического и СВЧ диапазонов и измерения различия сигналов флуоресценции от указанных объектов проверки, регистрируемого в указанных двух случаях, который выбран в качестве прототипа данного изобретения.
Недостатком указанного способа-прототипа является недостаточная полнота операций указанного зондирования и измерения указанного различия, что может снижать качество автоматизированной проверки.
Раскрытие изобретения
Целью данного предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка и повышение качества автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами).
1
1
1
2
2
2
1
1
2
2
1
1
Указанная цель достигается в данном изобретении за счет того, что в известном способе проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих метку подлинности в виде нанокристаллов алмазов с NV-центрами, включающий зондирование объектов проверки подлинности совместным действием оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм и модулируемым по амплитуде СВЧ излучением, измерение переменной части сигнала флуоресценции на частоте модуляции амплитуды СВЧ поля, объект проверки подлинности перемещают по зоне контроля так, что место на объекте проверки подлинности, соответствующее расположению метки подлинности на подлинном объекте, зондируется действием указанного оптического излучения дважды в течение отрезков времени Δt, определяемых формулой: (D+d)/V, где D и d соответственно характерные размеры указанной метки и сечений пучков указанного оптического излучения плоскостью указанного объекта проверки подлинности, а V - скорость перемещения указанного объекта проверки подлинности, при одном из упомянутых зондирований мощность указанного СВЧ излучения в указанном месте объекта проверки подлинности модулируют с таким периодом, чтобы в течение указанного отрезка времени Δt происходило не менее двух периодов указанной модуляции СВЧ излучения, регистрируют временную зависимость мощности флуоресценции от объекта проверки подлинности, выделяя периодическую составляющую мощности флуоресценции, измеряют величину ΔU указанной составляющей, сравнивают измеренную величину ΔU с величиной U фонового сигнала, получаемой до и после прохождения метки под потоком указанного оптического излучения, при другом из упомянутых зондирований повторяют указанную процедуру измерения при нулевой мощности СВЧ излучения, регистрируют временную зависимость мощности флуоресценции от объекта проверки подлинности, выделяя периодическую составляющую мощности флуоресценции, измеряют величину ΔU указанной составляющей и сравнивают измеренную величину ΔU с величиной U фонового сигнала, получаемой до и после прохождения метки под потоком оптического излучения, объект проверки подлинности признают подлинным в случае получения при указанных двух зондированиях отношений ΔU/|U|>>1 и ΔU/|U|<<ΔU/|U|.
1
2
Указанная цель достигается также за счет того, что измерение величины ΔU и ΔU осуществляют методом синхронного детектирования, где в качестве опорного сигнала используют сигнал указанной модуляции СВЧ излучения, а постоянная времени фильтра низких частот при указанном синхронном детектировании соответствует указанному отрезку времени Δt.
Указанная цель достигается также за счет того, что применяют гармоническую модуляцию мощности СВЧ излучения, и того, что применяют частоту указанной гармонической модуляции, необходимую, чтобы в течение указанного отрезка времени Δt происходило не менее двух периодов указанной гармонической модуляции СВЧ излучения, а также за счет того, что применяют модуляцию мощности СВЧ излучения последовательностью импульсов в виде меандра, и того, что применяют частоту указанной модуляции последовательностью импульсов в виде меандра, необходимую, чтобы в течение указанного отрезка времени Δt происходило не менее двух импульсов в виде меандра.
Для достижения указанной цели также используют два предпочтительных случая соотношения указанных линейных размеров: 1) d<D и 2) d≈D и то, что применяют указанное СВЧ излучение с полосой частот f=(2,869±Δf) ГГц при полуширине полосы частот Δf до 0,1 ГГц.
Описание предлагаемого способа
На чертеже изображена схема энергетических уровней NV-центра в трехуровневой модели, где:
3
A - основное состояние,
3
E - возбужденное состояние,
1
А - промежуточный метастабильный уровень,
m=0, ±1 проекция спина на ось симметрии центра для подуровней основного и возбужденного состояний.
На указанном чертеже стрелками указаны излучательные и безызлучательные переходы между указанными подуровнями.
Для удобства относительное расположение энергетических уровней на указанном чертеже дано не в масштабе.
3
3
3
3
3
3
1
3
3
3
3
3
Под действием указанного оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм (например, излучением второй гармоники неодимового лазера) происходят оптические переходы между основным уровнем A и возбужденным E (см., например, [3]). Каждый из этих двух уровней расщеплен на три с проекцией спина на ось NV-центра m=0, 1 и -1. В слабом магнитном поле (поле Земли) подуровни m=±1 вырождены. Подуровень m=0 в основном состоянии отстоит от подуровней m=±1 на энергию кванта, соответствующего частоте 2,87 ГГц. Оптические переходы, вызывающие поглощение и связанные со спонтанным излучением, происходят с сохранением m. Коэффициенты поглощения одинаковы для всех переходов. При этом за поглощением оптического кванта только при переходе A m=0→Е m=0 с высокой вероятностью следует обратный переход со спонтанным излучением. При возбуждении же переходов A m=±1 → Е m=±1 только часть NV-центров возвращает энергию в виде спонтанного излучения. Остальная часть передает энергию фононам решетки при безызлучательных переходах через промежуточный уровень А, переводя в результате центры из состояния A m=±1 в состояние А m=0. Обратного процесса поглощение света не вызывает. Таким образом, оптическая накачка NV-центров приводит к тому, что часть их перекачивается на подуровень A m=0, вклад безызлучательного канала уменьшается, и сигнал флуоресценции вырастает. При наличии СВЧ излучения, резонансного с переходом между подуровнями основного состояния и достаточной мощности, происходит возврат значительной части NV-центров на уровни A m=±1, эти центры при поглощении света переводятся на уровни Е m=±1, и снова часть энергии уходит по безызлучательному каналу. Мощность флуоресценции уменьшается.
Таким образом, при автоматизированной проверке подлинности указанных объектов проверки при первом зондировании метки устанавливают, имеет ли место картина, соответствующая двойному радиооптическому резонансу, т.е. интенсивность флуоресценции, во-первых, зависит от оптической частоты излучения накачки (первый резонанс) и, во-вторых, от частоты СВЧ излучения (второй резонанс). При этом отношение сигнала к шуму и, соответственно, надежность регистрации существенно увеличиваются при переходе от однократного включения-выключения СВЧ поля к периодической модуляции и синхронному детектированию. Нами было экспериментально установлено, что если за время воздействия на метку оптического излучения накачки производят несколько циклов включения-выключения (модуляции) указанного СВЧ излучения, синхронно детектируют переменную составляющую сигнала мощности флуоресценции, вызванную указанной модуляцией, усредняя по времени указанного воздействия, то на подлинном объекте проверки наличие указанной метки возможно уверенно зарегистрировать. Мы также показали, что при необходимых для проверки подлинности указанных объектов мощностях оптического излучения накачки и СВЧ излучения изменение мощности флуоресценции метки от мощности СВЧ излучения имеет линейный характер. Поэтому для измерения различия сигналов флуоресценции метки под совместным действием указанного оптического излучения и указанного СВЧ излучения и под действием только указанного оптического излучения возможно применять гармоническую модуляцию мощности СВЧ излучения в пределах от нуля до необходимого уровня. Так как это приводит к гармоническому изменению сигнала флуоресценции, то применение гармонической модуляции мощности СВЧ излучения с оптимально подбираемой частотой оказывается целесообразным, поскольку в этом случае существенно сужается полоса частот регистрируемого сигнала составляющей мощности флуоресценции метки, вызванной указанной модуляцией СВЧ излучения, и, соответственно, отношение сигнал/шум может возрастать.
Другим вариантом модуляции СВЧ излучения является модуляция последовательностью импульсов в виде меандра. Преимуществом такой модуляции является относительно большая (в 2 раза по сравнению с гармонической модуляцией) величина переменной составляющей сигнала мощности флуоресценции, вызванной указанной модуляцией. При этом подавление высокочастотных составляющих фона и радиочастотных шумов может осуществляться выбором длительности фронтов в применяемой последовательности сигналов в виде меандра.
Уверенную регистрацию указанного различия сигналов флуоресценции метки обеспечивают при этом тем, что выделяют указанную составляющую сигнала из общего сигнала мощности флуоресценции, в простейшем случае, например, с помощью фильтра низких частот. Указанное выделение может быть выполнено и после усиления зарегистрированного общего сигнала. Для измерения величины указанной составляющей мощности флуоресценции, вызванной указанной модуляцией СВЧ излучения, используется метод синхронного детектирования, при применении которого умножают указанную составляющую сигнала, носящую характер колебаний (гармонических или последовательности импульсов в виде меандра) частоты, равной частоте модуляции СВЧ излучения, соответственно на гармонический или последовательность импульсов в виде меандра такой же частоты (опорный сигнал). В общем случае при совпадении фаз обоих колебаний (переменной составляющей сигнала и опорного сигнала) указанное произведение всегда положительно.
После указанного умножения для измерения вызванной указанной модуляцией СВЧ излучения величины указанной переменной составляющей мощности флуоресценции применяют фильтр низких частот для подавления появляющейся при указанном умножении переменной компоненты на удвоенной частоте модуляции и иных шумовых компонент в указанной переменной составляющей, не связанных с указанной модуляцией СВЧ излучения. При этом целесообразно выбрать постоянную времени указанного фильтра низких частот, соответствующей отрезку времени действия оптического излучения на метку подлинности. В этом случае обеспечивается максимальное отношение сигнала к шуму.
В нашем случае из-за специфики физических процессов в NV-центрах нанокристаллов алмаза, в частности, например, конечной скорости оптической накачки и др., а также конечного значения длительности процессов в применяемой электронике, изменение мощности флуоресценции метки отстает по времени от изменения мощности СВЧ-излучения. Потому указанное умножение при синхронном детектировании выполняется с соответствующим оптимальным фазовым сдвигом (в случае гармонической модуляции мощности СВЧ излучения) или временным сдвигом (в случае модуляции мощности СВЧ излучения последовательностью импульсов в виде меандра), которые легко находятся экспериментально.
При высокоскоростной автоматизированной проверке подлинности, например, банкнот, на одну банкноту обычно отводится 100 мс или менее, объект проверки при этом движется со скоростью перемещения V, равной 10 м/с или более, а метка подлинности при ее приемлемом характерном размере D, равном 1-2 мм, находится в зоне действия оптического излучения накачки не более 200 мкс, так что многократная модуляция интенсивности СВЧ излучения за указанное время возможна при ее частоте 50 кГц или более.
Возможны различные соотношения характерных размеров указанной метки и указанного сечения потока оптического излучения. Одним из предпочтительных вариантов является такой, при котором размер указанного сечения на порядок величины меньше размера метки, а другим предпочтительным вариантом является такой, при котором размер указанного сечения примерно соответствует размеру метки. Первый из указанных вариантов применяют в случае, когда разброс положения метки в результате дрожания объекта контроля при движении существенно меньше размера метки, а второй вариант применяют в случае, когда указанный разброс, будучи меньше размера метки, близок последнему.
Нами также экспериментально установлено, что в случае применения СВЧ электромагнитного излучения на частоте 2,87 ГГц с шириной линии 50 МГц эффект уменьшения флуоресценции больше, чем при возбуждении СВЧ полем с более узкой шириной линии на частоте 2,87 ГГц той же мощности. Указанный эффект обусловлен неоднородным уширением линии из-за пространственных вариаций концентрации атомов азота и NV-центров и других примесных центров.
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
1
1
Следует отметить, что авторы, учитывают то, что положительный результат, соответствующий двойному радиооптическому резонансу, а именно отношение ΔU/|U|>>1, т.е. многократное превышение уровня переменной составляющей сигнала над фоном, в процессе описанного выше первого зондирования метки может быть получен и на неподлинном объекте проверки. Такой результат может быть вызван, например, при автоматизированной проверке быстрым прохождением специальных защитных волокон малых поперечных размеров, дающих сильную флуоресценцию при лазерном облучении, в том числе и в спектральной области, в которой люминесцируют NV-центры. Такие волокна широко используются для защиты ценных бумаг и документов и легко воспроизводятся фальсификаторами. Короткий отклик флуоресценции от такого волокна содержит широкий спектр радиочастот и может дать ложный сигнал на выходе синхронного детектора. Поэтому объект проверки, первое зондирование метки на котором дает положительный результат, лишь относят к категории «подлинный», т.е. уровень величины указанной переменной составляющей сигнала соответствует уровню сигнала от подлинного объекта. В случае если первое зондирование метки на объекте проверки дает отрицательный результат, а именно ΔU/|U|<<a>>1, указанный объект относится к категории «не подлинный», т.е. - подлинность объекта при данном способе проверки не подтверждена. При втором зондировании метки применяют практически нулевую модулированную мощность указанного СВЧ излучения. Абсолютное отсутствие СВЧ поля в месте второго указанного зондирования метки в действительности обеспечить невозможно из-за того, что места обоих указанных зондирований, как правило, находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Поэтому далее термин «нулевая мощность модулированного СВЧ излучения» означает мощность, не превосходящую 1% мощности, необходимой для получения указанного отношения ΔU/|U|>>1 при зондировании метки на подлинном объекте проверки. Таким образом, при втором зондировании при нулевой мощности указанного СВЧ излучения, если указанная метка содержит нанокристаллы алмаза с NV-центрами (т.е. объект является подлинным), то уровень переменной составляющей сигнала ΔU не может существенно превышать уровень фонового сигнала U, то есть при ΔU/|U|<<ΔU/|U|. В таком случае указанный объект контроля относится к категории «подлинный». И только при отнесении объекта контроля к категории «подлинный» при первом зондировании метки и к категории «подлинный» и при втором зондировании метки, то есть при выполнении указанных отношений ΔU/|U|>>1 и ΔU/|U|<<ΔU/|U|, данный объект признается подлинным.
2
2
1
1
В случае же, если положительный результат, полученный при первом зондировании метки, вызван прохождением указанного волокна, не содержащего нанокристаллов алмаза, то и при втором зондировании наблюдается превышение в несколько раз уровня переменной составляющей сигнала над фоном, то есть отношение ΔU/|U|~ΔU/|U|, и такой объект относят к категории «не подлинный». Именно для обнаружения таких случаев в предлагаемом способе метки на всех объектах проверки подвергаются второму зондированию указанным излучением оптического диапазона при нулевой мощности указанного СВЧ излучения.
Пример реализации данного изобретения
-2
2
Предложенный в данном изобретении способ автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с NV-центрами, был реализован в ООО «Новые энергетические технологии». Содержащую нанокристаллы алмазов с NV-центрами метку подлинности с характерным размером 2 мм, нанесенную на банкноту, подвергали воздействию потока лазерного излучения с длиной волны 532 нм (вторая гармоника неодимового лазера), мощностью 40 мВт и поперечным сечением около 10 мм, в течение времени 100 мкс и при этом подвергали воздействию СВЧ излучения от генератора мощностью около 1 Вт, которое гармонически модулировали в разных случаях с частотой 40, 60, 80 и 100 кГц. Сигнал флуоресценции метки в диапазоне длин волн 650-750 нм усиливали и осуществляли его синхронное детектирование, умножая на гармонический сигнал частоты, равной частоте модуляции СВЧ излучения. При этом выбирали оптимальный сдвиг фазы указанного гармонического сигнала относительно фазы модуляции СВЧ излучения. Во всех случаях регистрировался сигнал, как минимум, на порядок величины превосходящий фоновый сигнал, получаемый до и после прохождения метки под пятном лазерного излучения.
Наши теоретические и экспериментальные исследования показали, что при высоком качестве меток, содержащих нанокристаллы алмаза, сигнал при указанном первом зондировании может превышать фоновый сигнал более чем в 100 раз.
Поскольку применение модуляции СВЧ излучения последовательностью импульсов в виде меандра дает двукратное увеличение сигнала с синхронного детектора по сравнению с гармонической модуляцией, то возможно применение более высоких частот в указанной последовательности импульсов и, соответственно, большего темпа автоматизированной проверки подлинности объектов проверки.
Уровень сигнала с синхронного детектора, свидетельствующий о наличии на банкноте указанной метки подлинности, возрастал при расширении ширины линии СВЧ сигнала до 50 МГц. При уменьшении мощности СВЧ излучения до уровня, близкого к нулю, уровень сигнала с синхронного детектора снижался до уровня, близкого к величине фонового сигнала.
Таким образом, описанная выше опытная проверка предложенного способа подтвердила возможность его реализации с получением положительного эффекта - уверенным обнаружением метки подлинности банкнот, ценных бумаг или документов, содержащей нанокристаллы алмазов с NV-центрами, т.е. установлением подлинности указанных объектов проверки.
Литература
[1] - Патент RU 2312882.
[2] - Патент RU 2357866.
[3] - N.B.Manson, J.P.Harrison and M.J.Sellars, "The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited", arXiv:cond-mat/0601360v2 (5 June 2006).