УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ МЕТОК НА ОСНОВЕ МИКРОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА С АКТИВНЫМИ NV ЦЕНТРАМИ С ОТЛИЧАЮЩИМИСЯ ЗАЩИТНЫМИ ПРИЗНАКАМИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области защиты от подделки банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий. Более конкретно, к устройствам автоматического бесконтактного детектирования защитных меток на основе микрокристаллов алмаза с активными NV центрами с отличающимися защитными признаками.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее близкие аналоги - разработка того же авторского коллектива (патенты RU 2411133 C1 - «Вещество метки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов и способ его приготовления», RU 2357866 C1 - «Способ защиты документов, ценных бумаг или изделий с помощью наноалмазов с активными NV центрами» и RU 2422903 «Устройство проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов»). Главным недостатком указанной разработки является невозможность изменения характеристик активного вещества метки. В качестве защитного признака используется квантовый эффект Двойного Радиооптического Резонанса (ДРОР), который из всех твердых тел присущ только отрицательно заряженным азотно-вакансионным центрам (далее NV центры) в алмазе. Хотя данный эффект известен в науке давно, в качестве защитного признака он впервые был применен только в указанной выше разработке. Однако в указанной разработке контролируется только лишь наличие или отсутствие в защитной метке (на поверхности защищаемого изделия) эффекта ДРОР на одной определенной радиочастоте (2,87 ГГЦ). Метки, созданные согласно указанной разработке, на всех защищаемых изделиях идентичны, т.е. имеют один и тот же неизменяемый защитный признак. Это существенно ограничивает область применения технологии, т.к. зачастую необходимо метить различными метками различные типы изделий, различные партии, например выпущенные в разные периоды, и т.п. Также, различные производители стремятся защищать свои изделия метками, отличающимися от применяемых другими производителями. Кроме того, злоумышленникам достаточно один раз раскрыть указанный способ и изготовить большое количество контрафактного активного вещества защитной метки, чтобы затем наносить его на любую контрафактную продукцию, которую нельзя будет отличить от оригинальной. Таким образом, главный недостаток известной технологии - невозможность варьирования защитного признака.
Известное по указанным патентам устройство детектирования защитных меток не позволяют различать метки с NV центрами, защитный признак которых тем или иным способом модифицирован, что ограничивает область их применения.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача на решение, которой направлена полезная модель, заключается в создании нового устройства автоматического бесконтактного детектирования защитных меток, позволяющего осуществлять детектирование указанных меток с возможностью различения меток, имеющих отличающиеся защитные признаки.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в расширении области применения.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предложено новое устройство автоматического бесконтактного детектирования защитных меток на основе микрокристаллов алмаза с активными NV центрами с отличающимися защитными признаками, выполненное с возможностью определения формы двойного радиооптического резонанса и содержащее генератор сигнала модуляции, соединенный с генератором СВЧ-сигнала, и источник лазерного излучения, выходы которых соединены с системой подвода СВЧ-мощности к метке и с системой фокусировки соответственно, размещенных возле изделия с защитной меткой, соединенной с фотодетектором, выход которого соединен с одним входом блока анализа сигнала, другой вход которого соединен с выходом блока хранения эталонных сигналов.
Устройство, применяемое для детектирования указанных выше меток, отличается от известных тем, что не только контролирует наличие или отсутствие ДРОР на одной определенной частоте, но и его спектр. Таким образом, указанные выше метки, обладающие различными спектрами ДРОР, по разному идентифицируются данным устройством, что позволяет существенно расширить область применения предлагаемого устройства.
Указанное решение применяется впервые и устраняет главный недостаток известных аналогов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 - представлена принципиальная структурная схема устройства для детектирования меток с отличающимися защитными признаками.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Устройство для детектирования меток с отличающимися защитными признаками (Фиг. 1) включает в себя, кроме защищаемого изделия (4), с защитной меткой (5) следующие компоненты: лазер (6), систему фокусировки (7), состоящую из дихроичного зеркала, отражающего лазерное излучение и линзы, фокусирующей его, СВЧ генератор (8), вырабатывающий модулированный по частоте СВЧ сигнал (9), систему подвода СВЧ-мощности к метке (10), состоящую из подводящего кабеля, СВЧ изолятора, и излучающей ближнепольной СВЧ антенны, систему сбора излучения (11), состоящую из фильтра, отсекающего рассеянное лазерное излучение, и пропускающего излучение эмиссии активного вещества метки, и линзы, фокусирующей излучение на фотодетектор (12), вырабатывающий аналоговый электрический сигнал (13), блок анализа сигнала (14), генератор опорного сигнала (15), вырабатывающий опорный сигнал модуляции (16), блок хранения эталонных сигналов (17), выдающий на блок анализа (14) эталонные сигналы (18), а также канал выхода (выход) устройства (19).
Работа устройства для детектирования метки, схема которого приведена на Фиг. 1, включает следующие процедуры:
1. Защищаемое изделие (4) автоматически или вручную подают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка (5), находилось в зоне воздействия постоянного излучения лазера (6), сфокусированного системой фокусировки (7), где происходит оптическое возбуждение активного вещества метки. Система фокусировки содержит дихроичное зеркало, отражающее лазерное излучение, и пропускающее излучение флюоресценции активного вещества метки. Длину волны излучения лазера выбирают таким образом, чтобы она попадала в полосу поглощения NV центров, т.е. от 450 до 650 нм, а его мощность P так, чтобы флюоресценция активного вещества метки имела достаточную для измерения величину, т.е. P= от 10 мВт до 5 Вт.
2. Одновременно происходит возбуждение активного вещества метки частотно модулированным излучением (9) СВЧ генератора (8), подведенным к указанной области системой подвода СВЧ сигнала (10), состоящей из подводящего кабеля, СВЧ изолятора, препятствующего отражению СВЧ сигнала обратно в генератор, и излучающей ближнепольной СВЧ антенны, например, соленоида, отрезка двухпроводной, микрополосковой, или иной открытой линии. Частота СВЧ излучения изменяется во времени (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц, а его мощность составляет от 0,1 Вт до 10 Вт.
3. Оптическая эмиссия активного вещества метки проходит сквозь дихроичное зеркало в составе системы фокусировки (7), собирается системой сбора излучения (11), включающей в себя фильтр, блокирующий рассеянное лазерное излучение и пропускающий излучение эмиссии активного вещества метки, и линзу, фокусирующую излучение на фотодетектор (12), аналоговый электрический сигнал (13) с которого направляется в блок анализа сигнала (14).
4. Модуляция СВЧ излучения генератора (8) производится в соответствии с опорным сигналом модуляции (16), вырабатываемым генератором опорного сигнала (15). Также опорный сигнал (16) подается в блок анализа (14), где на основании известной (для данного используемого СВЧ генератора (8)) зависимости частоты СВЧ сигнала от амплитуды опорного сигнала модуляции (16) строится зависимость амплитуды сигнала фотодетектора от частоты возбуждающего СВЧ поля, т.е. спектр ДРОР метки (далее - измеренный сигнал).
5. В блоке анализа (14) происходит сравнение измеренного сигнала с эталонными сигналами (18), хранящимися в блоке хранения эталонных сигналов (17). Процедура сравнения включает в себя расчет отношений величин измеренного и эталонного сигналов на определенных частотах (как правило, соответствующих пикам и провалам спектра). В случае, если для эталонного сигнала, хранящегося в блоке хранения (17) под номером N, и измеренного сигнала указанные отношения отличаются друг от друга менее чем на некое наперед заданное малое значение δ (т.е. сигналы подобны с заданной точностью δ), на выход (19) устройства выводится номер N эталона, с которым обнаружено совпадение. В случае, если не обнаружено совпадений ни с одним эталоном, выводится сигнал, соответствующий фальшивой метке, или не выводится никакого сигнала, в зависимости от реализации устройства. В случае, если обнаружено совпадение более чем с одним эталоном выводится сигнал ошибки. Блок хранения эталонных сигналов (17) является цифровым устройством и содержит энергонезависимую память необходимого объема. Блок анализа (14) может быть как цифровым, так и аналоговым устройством, и в зависимости от этого содержать в своем составе устройства ЦАП и/или АЦП. Канал выхода устройства (19) может быть реализован в соответствии с любым цифровым протоколом обмена данными, либо быть аналоговым.
Ниже с целью иллюстрации отдельных аспектов осуществления полезной модели приведены примеры работы предлагаемого устройства бесконтактного автоматического детектирования меток с отличающимися защитными признаками. Приведенные ниже примеры не предназначены для того, чтобы каким-либо образом ограничивать объем настоящей полезной модели.
Пример 1. Детектирование защитной метки, содержащей микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, легированные изотопами.
При детектировании указанных меток при помощи предлагаемого устройства осуществляют следующие действия:
1. Защищаемое изделие помещают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка, находилось в зоне воздействия излучения лазера.
2. Возбуждают метку постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности метки в пятно диаметром 300 мкм.
3. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от метки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2,7 до 3 ГГц за одну секунду в соответствии с сигналом от опорного генератора, который вырабатывает пилообразное напряжение с периодом 1 сек.
4. Флюоресценцию метки контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР метки.
5. Аналоговый электрический сигнал ФЭУ и опорный сигнал модуляции подают в блок анализа сигнала, состоящий из 2-х канального АЦП, процессора, цифрового входа и выхода. В блоке анализа происходит оцифровка сигналов и проводится их обработка, при которой каждому значению напряжения опорного сигнала ставится в соответствие частота СВЧ поля - напряжению 0 В 2,7 ГГц, максимальному напряжению - 3 ГГц, а всем промежуточным значениям напряжения - значения частоты, рассчитанные по известной характеристике генератора СВЧ. Полученная в результате зависимость амплитуды флюоресценции от частоты СВЧ поля является спектром ДРОР метки (измеренный сигнал).
6. Для снижения вероятности ошибки действия по пп. 2-5 повторяют некоторое количество раз, заданное пользователем (типично 3-10 раз). Полученные при этом сигналы накапливают и усредняют.
7. Полученный усредненный измеренный сигнал сравнивается по очереди с каждым из эталонных сигналов, хранящихся в цифровом виде в блоке хранения эталонных сигналов, представляющем собой энергонезависимую память. Процедура сравнения включает в себя расчет отношений величин измеренного и эталонного сигналов на определенных частотах, соответствующих минимумам спектров ДРОР для разных изотопов - 2,806, 2,868, 2,87, 2,872 и 2,933 ГГц.
8. В случае, если для эталонного сигнала, хранящегося в блоке хранения под номером N, и усредненного измеренного сигнала все указанные отношения отличаются друг от друга менее чем на 10% (т.е. спектры подобны с точностью до 10%), на цифровой выход устройства выводится номер N эталона, с которым обнаружено совпадение. В случае, если не обнаружено совпадений ни с одним эталоном, выводится значение «ноль», соответствующее фальшивой метке. В случае, если обнаружены совпадения более чем с одним эталоном выводится код ошибки.
9. По данным с выхода блока анализа судят о подлинности метки, о типе, к которому она принадлежит, либо о необходимости проведения повторного детектирования.
Пример 2. Детектирование защитной метки, содержащей микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, обладающими свойствами, модифицированными радиационным воздействием.
При детектировании указанных меток осуществляют следующие действия.
1. Защищаемое изделие помещают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка, находилось в зоне воздействия излучения лазера.
2. Возбуждают метку постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности метки в пятно диаметром 300 мкм.
3. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от метки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2850 до 2890 МГц за одну секунду в соответствии с сигналом от опорного генератора, который вырабатывает пилообразное напряжение с периодом 1 сек.
4. Флюоресценцию метки контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР метки.
5. Аналоговый электрический сигнал ФЭУ и опорный сигнал модуляции подают в блок анализа сигнала, состоящий из 2-х канального АЦП, процессора, цифрового входа и выхода. В блоке анализа происходит оцифровка сигналов и проводится их обработка, при которой каждому значению напряжения опорного сигнала ставится в соответствие частота СВЧ поля - напряжению 0 В 2850 МГц, максимальному напряжению - 2890 МГц, а всем промежуточным значениям напряжения - значения частоты, рассчитанные по известной характеристике генератора СВЧ. Полученная в результате зависимость амплитуды флюоресценции от частоты СВЧ поля является спектром ДРОР метки (измеренный сигнал).
6. Для снижения вероятности ошибки действия по указанным выше пунктам 2-5 повторяют некоторое количество раз, заданное пользователем (типично 3-10 раз). Полученные при этом сигналы накапливают и усредняют.
7. Полученный усредненный измеренный сигнал сравнивается по очереди с каждым из эталонных сигналов, хранящихся в цифровом виде в блоке хранения эталонных сигналов, представляющем собой энергонезависимую память. Процедура сравнения включает в себя расчет коэффициентов корреляции измеренного сигнала и эталонных сигналов.
8. Номер N эталонного сигнала, значение коэффициента корреляции с которым составляет более 0,5 и при этом превышает все остальные на 10% и более (т.е. спектры подобны с точностью до 10%), выводится на цифровой выход устройства номер N эталона. В случае, если все коэффициенты корреляции оказались меньше 0,5 (т.е не обнаружено совпадений ни с одним эталоном), выводится значение «ноль», соответствующее фальшивой метке. В случае если обнаружены совпадения более чем с одним эталоном выводится код ошибки.
По данным с выхода блока анализа судят о подлинности метки, о типе, к которому она принадлежит, либо о необходимости проведения повторного детектирования.
Пример 3. Детектирование защитной метки, содержащей микрокристаллы алмаза с активными NV-центрами, обладающими свойствами, модифицированными механическим воздействием.
При детектировании указанных меток осуществляют следующие действия.
1. Защищаемое изделие помещают в зону контроля так, чтобы место, где должна располагаться защитная метка, находилось в зоне воздействия излучения лазера.
2. Возбуждают метку постоянным оптическим излучением лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 300 мВт, сфокусированным на поверхности метки в пятно диаметром 300 мкм.
3. Одновременно производят возбуждение СВЧ-полем от источника мощностью 3 Вт, которое подводится с помощью короткозамкнутого полуволнового отрезка двухпроводной линии, помещенной на расстоянии 1 мм от метки. Частота указанного СВЧ поля изменяется (сканирует, свипируется) от 2820 до 2920 МГц за одну секунду в соответствии с сигналом от опорного генератора, который вырабатывает пилообразное напряжение с периодом 1 сек.
4. Флюоресценцию метки контролируют с помощью ФЭУ, снабженного оптическим фильтром, блокирующим излучение с длинами волн менее 600 нм. Таким образом, записывают спектр ДРОР метки.
5. Аналоговый электрический сигнал ФЭУ и опорный сигнал модуляции подают в блок анализа сигнала, состоящий из 2-х канального АЦП, процессора, цифрового входа и выхода. В блоке анализа происходит оцифровка сигналов и проводится их обработка, при которой каждому значению напряжения опорного сигнала ставится в соответствие частота СВЧ поля - напряжению 0 В 2820 МГц, максимальному напряжению - 2920 МГц, а всем промежуточным значениям напряжения - значения частоты, рассчитанные по известной характеристике генератора СВЧ. Полученная в результате зависимость амплитуды флюоресценции от частоты СВЧ поля является спектром ДРОР метки (измеренный сигнал).
6. Для снижения вероятности ошибки действия по пп. 2-5 повторяют некоторое количество раз, заданное пользователем (типично 3-10 раз). Полученные при этом сигналы накапливают и усредняют.
7. Полученный усредненный измеренный сигнал сравнивается по очереди с каждым из эталонных сигналов, хранящихся в цифровом виде в блоке хранения эталонных сигналов, представляющем собой энергонезависимую память. Процедура сравнения включает в себя расчет коэффициентов корреляции измеренного сигнала и эталонных сигналов.
8. Номер N эталонного сигнала, значение коэффициента корреляции с которым составляет более 0,5 и при этом превышает все остальные на 10% и более (т.е. спектры подобны с точностью до 10%), выводится на цифровой выход устройства номер N эталона. В случае, если все коэффициенты корреляции оказались меньше 0,5 (т.е. не обнаружено совпадений ни с одним эталоном), выводится значение «ноль», соответствующее фальшивой метке. В случае, если обнаружены совпадения более чем с одним эталоном выводится код ошибки.
9. По данным с выхода блока анализа судят о подлинности метки, о типе, к которому она принадлежит, либо о необходимости проведения повторного детектирования.
Из приведенных выше примеров видно, что созданное устройство позволяет осуществлять детектирование указанных выше меток с возможностью различения меток, имеющих отличающиеся защитные признаки, что позволяет существенно расширить область применения предлагаемого устройства.
Хотя настоящая полезная модель была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, 5 что эти примеры осуществления полезной модели приведены только в целях иллюстрации полезной модели. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем полезной модели, поскольку в этапы описанных способов и устройств специалистами в области физики, оптики, электроники, обработки сигналов и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать их к конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы полезной модели. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия полезной модели, которая определяется пунктами формулы полезной модели, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.