СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПОДДЕЛОК И КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ЦЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR VALUABLE ARTICLES COUNTERFEIT PROTECTION AND IDENTITY VERIFICATION

Изобретение относится к способам защиты ценных изделий от подделки и может быть использовано для защиты от подделки музейных ценностей, включая картины, ювелирные изделия, а также дорогостоящих лекарственных препаратов, объектов интеллектуальной собственности, банкнот, кредитных и иных ценных бумаг, а также для обеспечения возможности последующего определения их подлинности с использованием технических средств.
Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.
Так, из уровня техники известны индивидуальные средства защиты документов в виде перфорации, рисунок которой имеет узнаваемые нерегулярности. Перфорацию осуществляют с помощью лазерного луча исходя из обычного рисунка, при этом управление лазером осуществляют посредством ЭВМ таким образом, что каждая перфорация имеет индивидуальную нерегулярность, зависящую от исходной величины, см., например, описание заявки DE №0368353, В44F 1/12, 1988 [1].
К недостаткам данного способа можно отнести, что они могут быть достаточно легко воспроизведены с высокой степенью соответствия оригиналу с помощью современных средств, широко известных и доступных широкому кругу специалистов.
Так, из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании патента РФ №2074420, G07D 7/00, G01N 24/08, 27.02.1997 [2]. Способ заключается во введении в материал защищаемого предмета или нанесении на него метки, в качестве которой используют стабильный изотоп осмия-187 или его соединение, а определение его наличия осуществляется по ядерным магнитным свойствам. Введение в материал защищаемого предмета или нанесение на него стабильного изотопа осмия-187 может осуществляться в химическом соединении, обеспечивающем постоянную ориентацию магнитных моментов электронных оболочек атомов осмия-187. Данный способ позволяет упростить и удешевить защиты от подделки банкнот, ценных бумаг и документов при обеспечении высокой степени защищенности.
Вместе с тем, из уровня техники известен способ защиты от подделки ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2144216, G07D 7/00, G07D 7/06, G06К 19/08, 10.01.2000 [3]. Согласно данному способу в качестве средства защиты используют изотопный индикатор на основе смеси стабильных изотопов. Защитную метку формируют посредством упомянутого изотопного индикатора таким образом, чтобы обеспечивалась возможность контроля ее наличия на защищаемом изделии (при детектировании), по меньшей мере, одним из методов спектрального анализа (например, рентгенофлуоресцентным или люминесцентным методами). Данная защитная метка может быть сформирована непосредственно на защищаемом изделии или независимо от него в любом известном виде и по известным технологиям.
Кроме того, из уровня техники известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документах, например GB 1193511, JP 9119867, US 4533244.
Также из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2276409, G07D 7/06, G06К 19/14, 10.05.2006 [4] (ближайший аналог). Согласно данному способу на изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, которая обеспечивает возможность контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты и детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями. В качестве пассивного защитного средства используют металлизированную, по меньшей мере, трехслойную резонансную фильтровую структуру. В качестве зондирующего излучения используют радиочастоту СВЧ-диапазона, в качестве информативных признаков используют характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения.
К недостаткам всех приведенных выше аналогов следует отнести их недостаточную надежность. Это связано, прежде всего, с тем, что современный уровень развития вычислительной, аналитической и множительной техники позволяет воспроизвести с высокой степенью идентичности практически любую ценную бумагу в неограниченном количестве при сравнительно небольших материальных затратах.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение уровня надежности защиты от подделок и копирования ценных изделий.
При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов, один из которых заключается в повышении степени сложности выполнения защитного средства на ценном изделии с одновременным снижением возможности его подделки, копирования, изменения.
Указанная задача решается тем, что в способе защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, обеспечивают возможность контроля его наличия и подлинности. В качестве материала защитного средства используют металл или полупроводник с электрохимически обработанной поверхностью до образования шероховатой поверхности наноразмерного уровня, при этом в качестве детектируемых информативных признаков используют характерную генерацию «гигантской» отраженной второй гармоники, а возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона и детектирования информативных признаков в оптическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим визуальным и автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров информативных признаков с информативными признаками, содержащимися в базе данных средства детектирования.
Кроме того, в качестве зондирующего электромагнитного излучения используют лазерное когерентное излучение в ближнем инфракрасном и видимом оптическом диапазоне длин волн.
Явление генерации отраженной второй гармоники (далее - ВГ) состоит в появлении электромагнитного излучения на удвоенной частоте при отражении лазерного излучения от поверхности нелинейной среды.
В принципе, появление новых спектральных компонент (например, гармоник, суммарных и разностных частот) при взаимодействии света с веществом можно понять из модели нелинейно-оптической среды, которая обладает диэлектрической проницаемостью ε(E), зависящей от напряженности электрического поля Е световой волны.
Тогда электрическое смещение
L
NL
D(E)=ε(E)E=1+4(P+P(E))
NL
становится нелинейной функцией поля и содержит в качестве слагаемого нелинейную поляризацию P(E).
По аналогии с линейной поляризацией (дипольным моментом единицы объема)
L
(1)
(1)
NL
(n)
P=χE, где χ по определению линейная восприимчивость вещества, нелинейная поляризация P(E) мoжeт быть представлена в виде ряда по степеням поля с нелинейными восприимчивостями n-го порядка χ в качестве коэффициентов этого ряда:
0
-iωt+ikr
(2)
Можно видеть, что первый член в разложении (1), квадратично зависящий от напряженности поля световой волны, будет источником излучения на удвоенной частоте. Действительно, при распространении плоской монохроматической световой волны E(r,t)=Eeв нелинейной среде, обладающей нелинейной восприимчивостью второго порядка χ, будет возбуждаться волна поляризации (дипольного момента)  на частоте 2ω, которая и будет источником светового излучения ВГ /1, 2/.
Типичная оптическая схема эксперимента по исследованию генерации отраженной ВГ приведена на фиг.1 /1, 3/.
Особый интерес к явлению генерации отраженной ВГ связан с уникальной поверхностной селективностью и чувствительностью этого нелинейно-оптического процесса.
Высокая чувствительность отраженной ВГ к морфологическим свойствам поверхности связана со строгими поляризационными правилами отбора, запрещающими генерацию s-поляризованной волны ВГ для s-поляризованной волны накачки на гладкой однородной изотропной поверхности.
Поляризация световых волн называется s-поляризацией, когда вектор электрического поля волны направлен перпендикулярно плоскости падения (плоскости, проходящей через нормаль к поверхности и волновой вектор световой волны). Это поляризационное правило отбора, называемое s,s-запретом, нарушается для шероховатых поверхностей металлов и полупроводников.
Экспериментальные исследования нарушений s,s-запрета при генерации ВГ на «шероховатой» поверхности серебра позволили обнаружить эффект «гигантской» ВГ /1, 2/.
Термин «гигантская» используется физиками с целью подчеркнуть, что генерируемая такой шероховатой поверхностью ВГ превосходит по интенсивности разрешенную ВГ на гладкой поверхности на несколько порядков. Такое усиление связано с возбуждением в шариках металла, расположенных на поверхности образца, под действием света накачки коллективных дипольных колебаний электронов. Электрическое поле таких дипольных возбуждений усиливает внутренние (как еще говорят, локальные) поля на порядки, вызывая гигантские нелинейно-оптические эффекты.
Указанные выше экспериментальные исследования были проведены при последовательном нанесении шероховатости с характерным размером неоднородности порядка 1 нм.
Для того чтобы определить характер шероховатости, возникающей при столь малых количествах вещества, одновременно с исследованием генерации ВГ были получены изображения поверхности в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) до и после процесса электрохимического травления. Анализ изображений поверхности, полученных с использованием СТМ, показал, что образовавшаяся шероховатость представляет собой редкие группы шариков серебра с характерными размерами 2-3 нм. Именно эти поверхностные образования являются источниками наблюдаемой гигантской запрещенной ВГ /1, 2/.
Таким образом, сформированная на основе химического травления металла или полупроводника наноразмерная «шероховатость» поверхности защитной метки при зондировании ее когерентным лазерным излучением с частотой ω будет генерировать отраженную «гигантскую» ВГ, являющуюся идентификационным признаком защитной метки.
Детектирование указанного идентификационного признака производится с помощью фоторегистрирующего устройства, обладающего спектральной избирательностью на частоте 2ω.
Кроме того, фоторегистрирующее устройство должно иметь некоторую пороговую чувствительность для снижения влияния малоинтенсивной отраженной ВГ, возникающей при взаимодействии зондирующего лазерного излучения с некоторыми средами и которая не обусловлена рассматриваемыми нелинейно-оптическими свойствами поверхности защитной метки.
Ниже приводится описание графических материалов, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления заявленного изобретения.
На фиг.1 приведена типовая оптическая схема эксперимента по наблюдению и исследованию процесса генерации отраженной ВГ.
Основные наименования элементов типовой оптической схемы приведены там же.
ω,2ω
Е - напряженность электрического поля световой волны на частоте зондирующего лазера и частоте второй гармоники.
2ω
Подобные установки по своему назначению позволяют изучать параметры излучения ВГ, генерируемой поверхностным слоем исследуемого материала, такие как спектр интенсивности ВГ - зависимость интенсивности от частоты возбуждающего света ω; азимутальная анизотропия интенсивности ВГ - зависимость интенсивности от угла φ поворота образца относительно нормали к поверхности; поляризация и фаза волны ВГ; диаграмма направленности излучения отраженной волны - зависимость интенсивности от полярного угла наблюдения θ и т.д. несут информацию о структурных, морфологических и электронных свойствах поверхности или границы раздела /1, 3/.
На фиг.2 приведен вариант устройства для детектирования защитной метки при использовании нелинейно-оптического эффекта генерации «гигантской» отраженной ВГ. Для обозначения блоков и элементов оптической схемы устройства приняты следующие сокращения:
ЗЛ - зондирующий лазер,
ПЛ - пятно луча ЗЛ,
ОП - оптическая призма,
ОЛ1, 2 - оптические линзы 1 и 2 соответственно,
ПЗЛ - поляризатор излучения ЗЛ,
ОФВГ - оптический фильтр ВГ,
ЗИ - защищаемое изделие,
ЗМ - защитная метка,
НШ - наноразмерные «шероховатости» ЗМ,
УДЗМ - устройство детектирования ЗМ,
ФРУ - фоторегистрирующее устройство,
ЭВУ - электронно-вычислительное устройство,
МЭВУ - монитор ЭВУ,
ЭМУ - электромеханическое устройство,
ω, 2ω - частота излучения ЗЛ и ВГ соответственно,
ω
2ω
θ, θ - полярный угол луча ЗЛ и отраженной ВГ соответственно,
φ - азимутальный угол начальной выставки ЗМ относительно УДЗМ.
ω
2ω
При конструировании оптической схемы устройства обеспечивается такое взаиморасположение оптических элементов схемы (φ, θ и θ), при котором обеспечивается максимум интенсивности генерируемой «гигантской» отраженной ВГ.
Ниже приводится пример осуществления изобретения, никоим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.
Для реализации рассмотренного способа защиты ценных изделий, в частности банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг, выбирают структуру защитной метки, наиболее подходящую для защищаемого устройства. Могут быть использованы различные известные из уровня техники варианты и способы формирования и нанесения защитной метки.
Поскольку конкретные методы нанесения изображений, например, на банкноты различных достоинств являются охраняемыми сведениями государства, а их выбор не ограничивает сферу применения предлагаемого способа, предположим, что защитная метка выполняется в виде металлической или металлизированной полоски. Требуемая «шероховатость» на металлическую полоску наносится путем электрохимического травления микрослоя, например серебра, предварительно нанесенного на полоску.
При этом представляется целесообразным нанесение «шероховатости» не по всей поверхности защитной метки, а только в локальных ее областях, разнесенных по площади защитной метки в определенном порядке. Например, это может быть выполнено в виде штрихкода.
Упомянутый штрихкод может нести в себе информацию, например, о номинале банкноты, серии и номере с указанием года выпуска и т.п.
Вариант блок-схемы устройства для контроля подлинности защищаемого объекта на основе идентификации защитной метки приведена на фиг.2.
Принципиально оптическая схема устройства детектирования защитной метки не отличается от типовой оптической схемы экспериментальной установки для исследования поверхности и приграничного слоя нелинейно-оптическими методами. Применение призмы в устройстве обусловлено необходимостью обеспечения требуемого «оптического контакта» и необходимой ориентации плоскости защитной метки по отношению к осям зондирующего лазерного излучения и генерируемой «гигантской» отраженной ВГ, а поляризатора излучения ЗЛ - для обеспечения s-поляризации.
Детектирование штрихкода защитной метки происходит следующим образом.
Начальной выставкой обеспечивается помещение пятна луча ЗЛ в начало ЗМ. Далее по сигналу ЭВУ включается ЭМУ, которое обеспечивает линейное сканирование пятна луча ЗЛ в направлении, перпендикулярном штрихам кода ЗМ, сформированным на поверхности ЗМ с помощью «шероховатостей» (см. фиг.2).
При нахождении пятна луча ЗЛ на гладкой поверхности ЗМ генерируется малоинтенсивная отраженная ВГ, обусловленная эффектами, связанными с пространственной дисперсией /1, 2/. Настройкой порога чувствительности ФРУ добиваются отсутствия влияния указанной отраженной ВГ на выходной сигнал ФРУ.
При нахождении пятна луча ЗЛ на «шероховатой» части поверхности ЗМ возникает генерация «гигантской» отраженной ВГ, которая легко регистрируется ФРУ. Именно это взаиморасположение ЗМ и УДЗМ изображено на фиг.2.
На основе информации с ФРУ (есть сигнал, нет сигнала) и ЭМУ о линейном положении УДЗМ относительно ЗМ в процессе сканирования ЭВУ формирует электронную версию штрихкода и выводит дешифрированный результат на МЭВУ.
Современный уровень техники позволяет выполнить оборудование для устройства детектирования защитной метки как в стационарном, так и в переносном вариантах.
3
Пространственное сканирование зондирующего лазерного излучения для считывания информации штрихкода посредством детектирования генерируемой «гигантской» отраженной ВГ и соответствующее синхронное перемещение фотоэлектронного регистрирующего устройства может быть выполнено с применением как описанного электромеханического устройства, так и с использованием свойств нелинейных оптических кристаллов (например, LiNBO - ниобат лития, АДР - дифосфат аммония, КДР - дифосфат калия) при воздействии на них электрического поля.
Следует отметить, что нелинейно-оптические методы исследования поверхности твердого тела, твердотельных наноразмерных структур и тонких пленок получили применение не так давно. В свое время основной технической сложностью было разрушение исследуемой поверхности материала зондирующим лазерным излучением.
Указанная проблема была решена после появления широкодоступных и простых в обращении перестраиваемых по длине волны квазинепрерывных твердотельных лазеров с фемтосекундной длительностью импульсов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.
-14
Наиболее известным из таких лазеров является твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется сапфир с примесью атомов титана. Его использование при изучении нелинейно-оптических эффектов является эффективным, так как из-за малой длительности импульса τ=10 с не разрушается поверхность исследуемых образцов.
В качестве фотоаппаратуры, регистрирующей «гигантскую» отраженную ВГ, может быть использован, например, фотоэлектронный усилитель (ФЭУ) или иное устройство, например, на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Оптические линзы и фильтр, настроенный на пропускание ВГ, особенностей не имеют.
Последовательность работы устройства детектирования защитной метки и идентификацию подлинности обеспечивает программа электронно-вычислительного устройства.
Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает гарантированную защиту ценных изделий от подделки и возможность последующего автоматического определения их подлинности с высокой достоверностью.
Литературные источники
1. Акципетров О.А. Нелинейная оптика поверхности металлов и полупроводников. Соросовский образовательный журнал, том 6, №12, 2000.
2. Акципетров О.А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов. Соросовский образовательный журнал, том 7, №7, 2001.
3. Назаров М.М. Фемтосекундные нелинейно-оптические процессы, усиленные поверхностными электромагнитными волнами. Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, Физический факультет, 2002.