УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ
DEVICE AND METHOD FOR RESEARCH OF MAGNETIC PROPERTIES OF OBJECTS

Настоящее изобретение относится к устройству, а также к способу исследования магнитных свойств объектов, прежде всего листового материала, такого, например, как банкноты. В состав подобного устройства входят магнитооптический слой с магнитными доменами, оптические свойства которого изменяются под влиянием магнитных свойств исследуемого объекта, по меньшей мере один источник света для излучения света, падающего на магнитооптический слой, и по меньшей мере один датчик для приема света, проходящего через магнитооптический слой и/или отражаемого им.
Банкноты для обеспечения высокой степени их защиты от подделки снабжают средствами защиты, в том числе магнитными защитными признаками. Поэтому при автоматизированной проверке банкнот в соответствующих машинах для их обработки банкноты исследуются в отношении их магнитных свойств, что позволяет отличать поддельные или сомнительные (предположительно поддельные) банкноты от подлинных банкнот.
При этом для исследования магнитных свойств банкнот преимущественно используются индуктивные измерительные головки, датчики Холла или магниторезистивные элементы, такие, например, как магниторезисторы или тонкие пермаллоевые слои.
Кроме того, для исследования магнитных свойств банкнот известно также применение магнитооптических слоев. Соответствующее устройство известно, например, из публикации DE 19718122 A1. B таком устройстве магнитооптический отражающий слой с ярко выраженным магнитооптическим эффектом Керра освещают поляризованным светом и детектируют отраженный этим слоем свет после его прохождения через поляризационный фильтр. Если исследуемую банкноту поместить за отражающим слоем близко к нему, то магнитные поля рассеяния, создаваемые магнитными участками банкноты, будут влиять на оптические характеристики отражающего слоя, и при этом будет изменяться направление поляризации детектированного света. В этом случае по выявленному изменению направления поляризации можно сделать вывод о магнитных свойствах листового материала.
Преимущество, связанное с использованием магнитооптических слоев, перед широко используемыми индуктивными измерительными головками состоит в том, что такие слои обеспечивают более высокое пространственное разрешение и позволяют измерять магнитные потоки независимо от скорости перемещения банкноты относительно измерительной системы. Кроме того, использование магнитооптических слоев позволяет разработать метод формирования изображений для визуального наблюдения выполненного в банкноте магнитного узора.
Основная проблема, возникающая при автоматизированном исследовании магнитных свойств банкнот, состоит прежде всего в том, что для проверки банкнот на подлинность с достаточно высокой точностью и надежностью необходимо обеспечить возможность обнаружения магнитных потоков с очень низкими значениями магнитной индукции. Это обусловлено, во-первых, тем, что поля рассеяния, создаваемые отдельными магнитными участками банкнот, очень малы, и во-вторых, тем, что между банкнотой и магнитооптическим слоем необходимо обеспечивать определенный зазор, который из-за высокой скорости транспортировки банкнот, с которой они должны перемещаться в машинах для их обработки, нельзя уменьшать до сколь угодно малой величины, поскольку в противном случае проверяемые банкноты, а также отдельные компоненты датчиков подвергались бы повышенному износу и помимо этого возросла бы вероятность застревания банкнот в машине для их обработки.
Из публикации WO 02/052498 А2 известны устройство и способ исследования магнитных свойств объектов с применением магнитооптических слоев, имеющих упорядочение расположенные магнитные домены. При этом свет, излучаемый источником света и падающий на магнитооптический слой, дифрагирует под влиянием упорядоченно расположенных магнитных доменов. Свет, изменивший свое направление и прошедший через слой либо отраженный им, принимается датчиком. Если объект, в частности лист, имеющий магнитные участки, находится вблизи магнитооптического слоя, то магнитные участки листа оказывают влияние на оптические свойства магнитного слоя, при этом расстояния между упорядоченно расположенными магнитными доменами и/или ширина изменяются в зависимости от направления и напряженности магнитного поля листа, действующего на магнитооптический слой. Соответственно, в зависимости от его магнитных свойств изменяются зарегистрированная интенсивность и/или положение дифрагировавшего света, что позволяют на основе полученных результатов сделать вывод о магнитных свойствах листового материала.
Преимущество известных устройства и способа исследования магнитных свойств объектов с применением магнитооптических слоев, имеющих упорядоченно расположенные магнитные домены, состоит в том, что применяемые магнитооптические слои с доменами отличаются высокой чувствительностью, благодаря которой они пригодны для обнаружения очень малых изменений магнитной индукции (плотности магнитного потока). Однако возможное пространственное разрешение ограничивается размерами магнитных доменов.
Из публикации WO 02/052512 А2 известны устройство и способ исследования магнитных свойств объектов с применением магнитооптического слоя, выполненного в виде так называемого планарного слоя. Подобные планарные слои не имеют магнитных доменов, либо единственный магнитный домен расположен в самом слое и ориентирован параллельно ему. Преимущество подобных магнитооптических слоев состоит в том, что они обеспечивают практически любое пространственное разрешение. Однако чувствительность планарных слоев к изменениям магнитной индукции существенно ниже чувствительности магнитооптических слоев с магнитными доменами. Поэтому в известном способе и устройстве изменение, т.е. поворот направления поляризации света, введенного в магнитооптический слой, увеличивается за счет увеличения длины оптического пути света, проходящего через магнитооптический слой. Для этого источник света и магнитооптический слой располагают таким образом, чтобы направление распространения введенного в слой света проходило по существу параллельно нижней поверхности магнитооптического слоя.
Однако известным устройству и способу исследования магнитных свойств объектов с применением магнитооптических планарных слоев присущ тот недостаток, что подобные планарные слои сложны, а значит и дороги в изготовлении.
Дополнительные проблемы возникают в том случае, когда наряду с исследуемыми объектами, обладающими точно заданными магнитными свойствами, приходится исследовать объекты, магнитные свойства которых неопределенны и поэтому не подлежат исследованию либо не поддаются такому исследованию без применения дополнительных средств.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработки устройства и способа, которые позволяли бы исследовать магнитные свойства объектов, прежде всего листового материала, с большей точностью и надежностью. Кроме того, такие устройство и способ должны обеспечивать возможность исследования магнитных свойств объектов и в том случае, когда такое исследование невозможно без применения дополнительных средств.
Указанная задача решается согласно изобретению совокупностью существенных признаков, представленных в п.п.1 и 12 формулы изобретения.
При этом объектами изобретения являются устройство и способ исследования магнитных свойств объектов, прежде всего листового материала, такого, например, как банкноты, с применением имеющего магнитные домены магнитооптического слоя, на оптические свойства которого оказывают влияние магнитные свойства исследуемого объекта, по меньшей мере одного источника света для излучения света, падающего на магнитооптический слой, и по меньшей мере одного датчика для приема света, проходящего через магнитооптический слой и/или отражаемого им, и с созданием магнитного поля, распространяющегося в зоне магнитооптического слоя по существу параллельно его поверхности.
Преимущество предлагаемого в изобретении устройства состоит в том, что оно позволяет использовать магнитооптические слои с магнитными доменами, несложные в изготовлении и обладающие пространственной разрешающей способностью, улучшенной за счет приложения магнитного поля, распространяющегося по существу параллельно поверхности магнитооптического слоя. Кроме того, с помощью этого магнитного поля можно также исследовать магнитные свойства, не поддающиеся такому исследованию без применения дополнительных средств.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения напряженность магнитного поля, параллельного магнитооптическому слою, задают с таким расчетом, чтобы сильно уменьшить магнитные домены.
Таким образом, в основном сохраняется высокая чувствительность магнитооптического слоя с магнитными доменами, а благодаря значительному уменьшению доменов можно добиться существенно более высокого пространственного разрешения.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения напряженность магнитного поля, параллельного магнитооптическому слою, задают именно с таким расчетом, чтобы вызвать коллапс магнитных доменов.
Это позволяет получить при измерении сигнал с особенно высокой динамикой при очень высоком пространственном разрешении.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения напряженность магнитного поля, параллельного магнитооптическому слою, задают с таким расчетом, чтобы вызвать полное исчезновение магнитных доменов.
Этим достигается очень высокое пространственное разрешение при достаточно высокой чувствительности.
Другие преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - принципиальная схема устройства для исследования магнитных свойств объектов,
на фиг.2 - принципиальная схема магнитооптического детектора или датчика, применяемого в устройстве, показанном на фиг.1,
на фиг.3 - типичная зависимость чувствительности детектора, показанного на фиг.2, от напряженности магнитного поля, параллельного поверхности детектора, и
на фиг.4 - магнитные устройства, предназначенные для создания магнитного поля, параллельного поверхности детектора, показанного на фиг.2.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства 1, предназначенного для исследования магнитных свойств объектов.
Под исследуемыми объектами следует понимать, в частности, листовой материал, такой, например, как банкноты, имеющие магнитные компоненты. Подобные компоненты могут представлять собой печатные краски с магнитными частицами, магнитные защитные нити и т.д. При этом можно предусмотреть придание объектам таких магнитных свойств, исследование которых не вызывает проблем, т.е. объекты сами создают определенное магнитное поле. Для этого объекты могут содержать, например, по меньшей мере в виде следов или в определенных количествах магнитотвердые вещества, распределенные, например, в виде определенного узора в объекте и/или на нем. Поскольку магнитотвердые вещества обладают определенной остаточной магнитной индукцией, они создают после однократной ориентации необходимое для исследования магнитное поле, поддающееся анализу. Также возможен вариант, когда объекты имеют магнитные свойства, не поддающиеся исследованию без применения дополнительных средств, т.е. сами объекты не создают магнитного поля. В этом случае объекты могут содержать, например, по меньшей мере в виде следов или в определенных количествах магнитомягкие вещества, распределенные, например, в виде определенного узора в объекте и/или на нем. Поскольку магнитомягкие вещества не обладают остаточной магнитной индукцией, сами они не создают магнитного поля, поддающегося анализу при исследовании. Для создания магнитного поля, поддающегося анализу при исследовании, подобные объекты необходимо подвергать воздействию магнитного поля на протяжении всего процесса исследования для обеспечения магнитного упорядочения или ориентации имеющихся на объекте и/или в нем магнитомягких веществ, чтобы можно было их исследовать.
||
Устройство 1 имеет детектор 4, образованный магнитооптическим слоем с магнитными доменами. Магнитное устройство 7, 8, представляющее собой, например, по меньшей мере один постоянный магнит, создает магнитное поле В, направленное в зоне детектора 4 параллельно его поверхности и, соответственно, поверхности магнитооптического слоя. Свет, излучаемый по меньшей мере одним источником 2 света, поляризуется поляризатором 3. Поляризованный свет освещает детектор 4, отражается им и/или проходит через него, проходит через анализатор 5 и принимается по меньшей мере одним датчиком 6.
||
⊥
Исследуемый объект BN, например банкнота, перемещается транспортировочной системой, не показанной на чертежах, в направлении Т по существу вдоль длинных кромок банкнот BN мимо устройства 1. Под действием создаваемого магнитным устройством 6, 7 магнитного поля В имеющийся в банкноте BN и/или на ней магнитный материал ориентируется таким образом, что он создает дополнительное магнитное поле 10. Составляющая В магнитного поля 10, перпендикулярная детектору 4, вызывает в его магнитооптическом слое изменение, в частности поворот, направления поляризации света. Это изменение направления поляризации определяется по изменению интенсивности света, проходящего через анализатор 5 и регистрируемого датчиком или датчиками 6, для исследования магнитных свойств объекта BN, т.е. банкноты.
На фиг.2 более подробно показана принципиальная схема детектора 4. Детектор состоит из подложки 41, на которую нанесен магнитооптический слой 42, имеющий магнитные домены. На магнитооптический слой 42 нанесен светонепроницаемый слой 43, рассеивающий или отражающий свет, падающий на него от источника 2 света. Подложка 41 может быть выполнена, например, в виде монокристаллической пластинки из гадолиний-галлиевого граната. Нанесенный на подложку магнитооптический слой 42 выполнен, например, из железоиттриевого граната и/или феррограната с лютецием. При этом для усиления эффекта Фарадея иттрий и/или лютеций можно частично или полностью заменить висмутом и/или церием. Кроме того, для придания требуемой магнитной анизотропии иттрий и/или лютеций можно заменить редкоземельными элементами, такими, например, как празеодим или неодим. Для обеспечения требуемых характеристик намагничивания железо можно заменить галлием и/или алюминием.
⊥
Светонепроницаемый слой получают, например, из алюминия. Свет, излучаемый источником 2 света и поляризованный поляризатором 3 в направлении Р, проходит через светопроницаемую подложку 41 в магнитооптический слой 42, в котором направление Р его поляризации поворачивается под действием перпендикулярной составляющей B магнитного поля 10, отражается светонепроницаемым слоем 43, претерпевает еще один поворот направления поляризации и на выходе имеет измененное направление P' поляризации. Как описано выше, изменение направления поляризации света регистрируется датчиком или датчиками 6 и анализируется непоказанным аналитическим устройством, например аналого-цифровыми преобразователями и микрокомпьютером. Таким образом, перемещая банкноту BN в направлении Т транспортировки мимо устройства 1 можно получить отображение магнитных свойств банкноты BN.
||
На фиг.3 показан типичный график зависимости чувствительности магнитооптического слоя детектора 4 от напряженности магнитного поля В, ориентированного параллельно поверхности детектора 4.
||
||колл
||колл
В предпочтительном варианте напряженность магнитного поля В, создаваемого магнитным устройством 7, 8, выбирают таким образом, чтобы она находилась в районе напряженности В, при которой магнитные домены магнитооптического слоя 42 коллапсируют, т.е. проходящие в магнитооптическом слое 42 домены исчезают или переходят в единственный домен, расположенный в магнитооптическом слое 42 и ориентированный параллельно ему. Для указанных выше материалов, из которых изготавливают магнитооптический слой 42, напряженность В магнитного поля составляет от 40 до 100 мТ. Вместе с тем, возможно также приложение магнитного поля напряженностью менее 40 мТ и даже менее 1 мТ.
||
||колл
|
||
||
Если напряженность магнитного поля В выбрать таким образом, чтобы она была немногим меньше напряженности В, при которой магнитные домены коллапсируют, то достигается высокая чувствительность магнитооптического слоя 42 по отношению к исследуемому магнитному полю B. Поскольку напряженность магнитного поля В уже находится в районе значения, предшествующего коллапсу магнитных доменов, последние имеют существенно более мелкую структуру, чем без приложенного магнитного поля В, что обеспечивает значительное повышение пространственного разрешения.
⊥
В этом случае, как указано, например, в упомянутой в начале описания заявке WO 02/ 052498 А2, можно измерять изменения положения первого и/или дальнейших порядков дифракции, порождаемых магнитными доменами магнитооптического слоя 42, при этом период решетки, образуемой магнитными доменами, изменяется под влиянием магнитного свойства, т.е. под действием магнитного поля В, исследуемого объекта BN. При этом для измерения может оказаться предпочтительным использовать позиционно-чувствительный детектор или фотоприемник, например квадрантный детектор.
||
||колл
⊥
||
Если напряженность магнитного поля В выбрать таким образом, чтобы она соответствовала напряженности В, при которой магнитные домены коллапсируют, для напряженности исследуемого магнитного поля B обеспечивается большой динамический диапазон. Поскольку напряженность магнитного поля В уже такова, что вызывает коллапс магнитных доменов, возможное пространственное разрешение детектора значительно повышается.
||
||колл
⊥
||
Если напряженность магнитного поля В выбрать таким образом, чтобы она оказалась в зоне значения, превышающего напряженность В, при которой магнитные домены коллапсируют, магнитооптический слой 42 с доменами превращается в планарный слой с высокой чувствительностью к исследуемому магнитному полю В, поскольку чувствительность снижается лишь ненамного. Поскольку под действием напряженности магнитного поля В произошел коллапс магнитных доменов, т.е. они исчезли, и имеется лишь один планарный домен, в принципе можно получить любое сколько угодно высокое пространственное разрешение.
||
На фиг.4 показаны различные варианты магнитных устройств 7, 8, предназначенных для создания магнитного поля В, параллельного поверхности детектора 4.
||
На фиг.4а и 4б показаны варианты выполнения магнитных устройств 7, 8, в состав которых входят два постоянных магнита 7 и 8, расположенных таким образом, что в зоне детектора 4 возникает максимально однородное магнитное поле В, параллельное поверхности детектора 4.
||
||
На фиг.4в и 4г также показаны варианты выполнения магнитного устройства 7, 8, в состав которого входят два постоянных магнита 7 и 8, со средствами 70, 71 обеспечения однородности магнитного поля В. В варианте, показанном на фиг.4в, предусмотрен проводник 70 с протекающим по нему током, расположенный параллельно детектору 4 и создающий магнитное поле, компенсирующее отклонения характеристик созданного постоянными магнитами 7, 8 магнитного поля от требуемых характеристик ориентированного параллельно детектору 4 магнитного поля В. С этой же целью в варианте, показанном на фиг.4 г, вместо проводника с протекающим по нему током предусмотрено использовать дополнительный постоянный магнит 71, расположенный параллельно детектору 4.
В качестве дополнительной меры по обеспечению однородности магнитного поля целесообразно замыкать свободные полюса постоянных магнитов ярмом из магнитомягкого материала.
||
На фиг.4д показан вариант выполнения магнитного устройства, состоящего из четырех постоянных магнитов 7, 7', 8 и 8'. Эта устройство соответствует системе катушек Гельмгольца и создает магнитное поле В с высокой однородностью и четкой направленностью параллельно поверхности детектора 4.
||
Очевидно, что для создания магнитного устройства можно использовать и другие схемы расположения магнитов, если при этом обеспечивается получение требуемого однородного, ориентированного параллельно поверхности детектора 4 магнитного поля В, проходящего через магнитооптический слой 42. Вместо постоянных магнитов можно также применять электромагниты.
||
||
||
|
||
||
||колл
||колл
||
||
||
||
||
При использовании электромагнитов дополнительно появляется возможность приложения магнитного поля B(t), изменяющегося во времени. Использование изменяющегося во времени магнитного поля В(t) позволяет применять при анализе полученных при измерении сигналов технику синхронизации, согласно которой оценка или анализ полученных при измерении сигналов выполняется в зависимости от изменения напряженности магнитного поля B(t) во времени. Это позволяет значительно повысить отношение "сигнал-шум" для результатов измерения магнитного поля В. Подходящая для изменяющегося во времени магнитного поля В(t) частота находится в районе более 10 кГц. Описанное изменяющееся во времени магнитное поле В(t) может создаваться электромагнитами и иметь напряженность, находящуюся в районе описанной выше напряженности В. Вместе с тем, для получения необходимой напряженности поля в районе значения В можно также создавать поле с неизменной во времени составляющей В и изменяющейся во времени составляющей B(t). При этом, в частности, названные составляющие могут быть связаны зависимостью: В>B(t). В еще одном варианте осуществления изобретения для создания неизменной во времени составляющей В возможно применение постоянных магнитов.
||
||
На фиг.4е показано возможное размещение электромагнитов 7" и 8" для создания магнитного поля В, которое может также иметь, как указано выше, по меньшей мере одну составляющую B(t), изменяющуюся во времени. Электромагниты 7", 8" могут также иметь стальные сердечники. Электромагниты 7", 8" могут также применяться дополнительно к постоянным магнитам 7, 7', 8, 8', показанным на фиг.4а-4д.
Как описано выше, датчик 6 анализирует колебания интенсивности света, вызываемые поворотом направления поляризации, что позволяет получить отображение магнитных свойств объекта BN. Для этого и детектор 4, и датчик 6 имеют строчную структуру, причем длина детектора 4 и датчика 6 соответствует по меньшей мере одному измерению объекта BN, что позволяет исследовать объект полностью. Как детектор 4, так и датчик 6 могут состоять из отдельных элементов, расположенных строками, но могут также состоять из единственного элемента, например датчик 6 может состоять их одной строки ПЗС-элементов. Сказанное относится и к источнику 2 света, поляризатору 3, анализатору 5 и магнитному устройству 7, 8, т.е. и они могут состоять из расположенных в виде строк отдельных элементов или из отдельных элементов соответствующих размеров.
Вместо описанной строчной структуры компонентов устройства 1 можно также предусмотреть их точечное строение, позволяющее исследовать одну или несколько определенных точек объекта BN. Таким же образом можно предусмотреть двумерную структуру компонентов устройства 1, позволяющую исследовать объект BN полностью или отдельными частями.
В отличие от описанного выше варианта устройства 1, который предусматривает перемещение направляемого на исследование объекта BN мимо устройства 1, это исследование можно также выполнять без перемещения устройства 1 и объекта BN друг относительно друга.
Особое значение имеет выбор длины волны света, излучаемого источником 2 света. В случае света с большей длиной волны направление его поляризации в магнитооптическом слое 42 претерпевает лишь небольшой поворот, а свет с меньшей длиной волны в значительной мере поглощается магнитооптическим слоем. По этой причине особенно хорошо зарекомендовал себя источник 2 света, излучающий свет с длиной в диапазоне от 550 до 650 нм, в частности около 590 нм.
Вместо описанного варианта выполнения детектора 4, в котором датчики 6 принимают и обрабатывают свет, отраженный детектором 4, в другом варианте датчики 6 могут принимать свет, проходящий через детектор 4.