УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОКУМЕНТА
DEVICE FOR MEASURING OPTICAL CHARACTERISTICS OF DOCUMENT

Область техники
Изобретение относится к устройствам для измерения оптических характеристик документа, таких как распределение коэффициента отражения по поверхности документа. Изобретение может быть использовано в устройствах проверки на подлинность листовых документов, например банкнот.
Отношение количества излучения, отраженного от документа, к количеству излучения, падающего на документ, есть коэффициент отражения документа. Распределение значений одной либо нескольких оптических характеристик документа по его поверхности иначе называется оптическим образом документа. Исследование оптического образа документа является одним из основных способов контроля подлинности документов, в том числе банкнот. Помимо коэффициента отражения, измеряемого для различных длин волн, устройства для измерения оптических характеристик используются для измерения коэффициента пропускания документа, а также параметров люминесценции, возникающей под действием возбуждающего излучения определенной длины волны.
Устройства для измерения оптических характеристик обычно содержат источники и приемники излучения, при этом документ включен в оптический путь между источником и приемником. Оптическая характеристика определяется при измерении отклика приемника на излучение источника.
Устройство для измерения оптических характеристик документа может быть одномерным или двумерным. В двумерных устройствах используются матрицы приемников излучения. Двумерные устройства способны получить образ документа без необходимости перемещения устройства относительно документа.
Одномерные устройства содержат линейно расположенный набор приемников излучения. Чтобы получить образ документа, необходимо перемещать устройство относительно документа и регистрировать оптические характеристики отдельных участков документов в ходе этого перемещения.
Например, документ перемещается по каналу, вблизи которого установлено устройство для измерения оптических характеристик документа. К тому моменту, как документ в канале целиком пройдет мимо устройства, устройство регистрирует распределение оптических характеристик по всей поверхности документа. Описываемое устройство относится к данному типу и предназначено для установки вблизи канала, в котором перемещается документ.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для проверки банкнот в соответствии с патентом US 6172745 (опубл. 09.01.2001, G06K 9/74). Известное устройство содержит набор источников излучения, два плоских световода, доставляющих излучение источников к поверхности банкноты, а также набор фотоприемников, которые регистрируют излучение, диффузно отраженное от поверхности банкноты. Источники излучения размещены в виде двух линейно расположенных групп, между которыми, также в линейном порядке, размещаются фотоприемники. Каждый из фотоприемников оснащен индивидуальной оптической системой, собирающей излучение с определенной области на поверхности банкноты. Световоды отогнуты навстречу друг другу таким образом, чтобы создать высокую освещенность банкноты в поле зрения фотоприемников. Это устройство позволяет регистрировать образ банкноты в отраженном излучении, при ее перемещении в направлении, перпендикулярном оси расположения приемников. Данное устройство было выбрано в качестве прототипа.
Однако ему свойственен ряд недостатков. Во-первых, оно сложно и недостаточно компактно, поскольку для обеспечения высокой и равномерной освещенности банкноты приходится использовать два световода и две группы источников. Во-вторых, прототип недостаточно эффективно использует излучение источников. Этот недостаток проявляется в том случае, когда, для повышения разрешающей способности регистрации образа банкноты в направлении ее перемещения, требуется сделать поле зрения приемников в данном направлении более узким. Такое требование является актуальным при контроле подлинности банкнот, поскольку повышение разрешающей способности позволяет более детально исследовать признаки подлинности. Система из двух отогнутых световодов освещает широкую полосу на поверхности банкноты, поэтому значительная часть излучения не попадает в суженное поле зрения приемников и теряется впустую. Недостаточная эффективность использования излучения заставляет дополнительно увеличивать количество и/или мощность источников света, что приводит к усложнению и/или удорожанию конструкции.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является построение простого и компактного устройства для измерения оптических характеристик документа, которое позволяло бы регистрировать оптический образ документа с повышенной разрешающей способностью в направлении его перемещения.
Техническими результатами заявленного устройства является упрощение и уменьшение габаритов конструкции, высокая эффективность использования излучения источников. Дополнительным техническим результатом изобретения является возможность повышения разрешающей способности регистрации в направлении перемещения документа.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения оптических характеристик документа содержит источники излучения, оптически связанные с каналом транспортировки документа посредством светового тракта, приемники излучения, размещенные совместно с источниками излучения вдоль прямой линии в перемежающемся порядке и оптически связанные с каналом транспортировки документа посредством светового тракта, световод, являющийся, по меньшей мере, частью светового тракта, имеющий первый и второй торец, а также отражающие стороны, и обеспечивающий прохождение излучения от первого торца ко второму, а также от второго торца к первому, причем область размещения источников и приемников оптически связана с первым торцом световода, а второй торец световода оптически связан с каналом транспортировки документа.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения оптических характеристик документа приемники излучения имеют угол поля зрения существенно меньше угла расходимости излучения, испускаемого источниками света.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что приемник излучения снабжен объективом, сужающим поле зрения.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что приемник излучения снабжен диафрагмой, сужающей поле зрения.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что в устройстве источники излучения распределены по группам, причем источники в каждой из названных групп испускают излучение определенного диапазона длин волн, и выполнены с возможностью одновременного включения и выключения, при этом источники излучения объединены в кластеры, содержащие источники из разных групп, а кластеры располагаются в порядке чередования с приемниками излучения.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что в устройстве дополнительно имеется, по меньшей мере, один приемник излучения, размещенный с возможностью регистрации излучения, проходящего через документ.
Применение в световом тракте световода, обеспечивающего прохождение излучения от первого торца ко второму и обратно, позволяет разместить по одну сторону от канала транспортировки документов как источники излучения, так и его приемники, что дает возможность анализировать отраженное от документа излучение и при этом значительно уменьшить габариты и упростить конструкцию устройства.
Высокая эффективность использования излучения обеспечивается наличием световода, используемого как для прохождения излучения от источников, так и для прохождения излучения, отраженного от документа. При этом оптическое сопряжение второго торца световода с поверхностью документа может быть выполнено с высокой энергетической эффективностью. При достаточно малом расстоянии между документом и вторым торцом световода, излучение источников, выходящее из этого торца, образует на документе область засветки, размер которой лишь незначительно превышает размер второго торца световода. По этой же причине большая доля излучения, диффузно отраженного документом, достигает второго торца световода. Когда диффузно отраженное излучение входит в световод через его второй торец, оно в большинстве своем доходит до первого торца световода.
Если световод выполнен без отражающего покрытия, то распространение излучения в нем происходит за счет переотражения от боковых граней в режиме полного внутреннего отражения. Если световод окружен воздухом и выполнен из стекла либо прозрачного пластика с коэффициентом преломления 1,44-1,65, обычного для этих материалов, то полное внутреннее отражение происходит для всех лучей, вошедших в световод. В условиях сильного загрязнения или запыления отражающих граней, полное внутреннее отражение нарушается в местах осаждения частичек пыли или грязи, что может привести к потерям излучения. Чтобы исключить влияние пыли и загрязнений, световод может быть выполнен с нанесением отражающего покрытия на боковые грани.
Определенные потери излучения возникают за счет отражения излучения от входного и выходного торцов световода. Для большинства стекол и прозрачных пластиков эти потери несущественны, если угол падения не превышает примерно 60 градусов. Заметим, что в случае диффузного отражения, близкого к описываемому законом Ламберта, подавляющая часть мощности излучения отражается под углом менее 60 градусов.
В прототипе увеличение разрешающей способности в направлении перемещения документа обеспечивается путем сужения видимой для приемника области на документе за счет экранирования. Так как результатом экранирования является бесполезная потеря излучения, то этот способ приводит к резкому снижению эффективности использования излучения источников. В отличие от прототипа, заявленное изобретение позволяет повышать разрешающую способность с сохранением высокой эффективности использования излучения источников.
Мы будем называть шириной размер световода в направлении линии расположения источников и приемников, и толщиной - его размер в направлении перпендикулярно этой линии. Длиной световода мы будем называть длину оптического пути между его первым и вторым торцами.
Толщина световода определяет размер области засветки на документе, который измеряется в направлении движения документа. Излучение из этой области, отраженное документом, доставляется к приемникам. По уровню излучения, дошедшего до приемника, можно судить о коэффициенте отражения документа.
Таким образом, измерение коэффициента отражения документа происходит в области, заданной толщиной световода. Размер этой области, фактически, определяет разрешающую способность устройства, измеряемую в направлении перемещения документа, при получении образа документа. Чем этот размер меньше, тем выше разрешающая способность.
Оптимизация геометрических параметров световода и его расположения в устройстве позволяет обеспечить высокую разрешающую способность в направлении перемещения документа при сохранении высокой эффективности использования излучения. Оптимальное взаимное расположение световода и приемника позволяет энергетически эффективно связать приемник с первым торцом световода. Для этого необходимо, чтобы первый торец световода полностью перекрывал поле зрения приемника. Указанное условие обеспечивает попадание в приемник наибольшего количества отраженного излучения. А именно, если условие соблюдается, в фотоприемник попадает та же самая энергия, за вычетом небольших потерь на распространение в световоде, как и в случае нахождения приемника непосредственно вблизи освещенной области документа.
Для обеспечения высокой разрешающей способности в направлении перемещения документа, необходимо выбрать толщину световода несколько меньше, чем размер (в этом же направлении) наименьшего объекта на документе, который необходимо оптически разрешить. Толщина световода может быть конструктивно задана в широких пределах, без существенного ухудшения эффективности использования излучения. Можно отметить, что уменьшение толщины световода не требует изменения угла поля зрения приемника, если световод и приемник расположены оптимально по отношению друг к другу.
Дополнительная оптимизация параметров приемников дает возможность повысить разрешающую способность также и в направлении линии источников и приемников. Каждый из приемников принимает излучение от своего участка области засветки на документе. Линейный размер этого участка в направлении вдоль линии расположения источников и приемников определяется углом поля зрения приемника и длиной световода. Его можно найти в обратном ходе лучей. Для этого нужно построить ход крайних лучей, выходящих из приемника под углом поля зрения, далее входящих в световод через первый торец, далее распространяющихся через световод, затем выходящих из световода через второй торец и, в конце концов, достигающих поверхности документа. Расстояние между лучами на поверхности документа и дает размер участка, с которого приемник принимает излучение. Размер этого участка определяется требованиями к разрешающей способности регистрации образа документа и, вообще говоря, должен быть по возможности меньшим. Соответственно, по возможности меньшим должен быть и угол поля зрения приемника.
Оптимизация параметров источников излучения может быть направлена на достижение максимально возможной равномерности засветки, поскольку неравномерность засветки приводит к погрешностям в измерении оптических характеристик документа. Для повышения равномерности важно, чтобы зоны засветки от отдельных излучателей существенно перекрывались на поверхности документа. Для увеличения перекрытия нужно, насколько возможно, увеличить размер зоны засветки одного излучателя. Ход лучей от излучателя к поверхности документа аналогичен рассмотренному выше ходу лучей к приемнику, за исключением их обратного направления. Чтобы увеличить размер зоны засветки от источника, следует применять источники с большой расходимостью излучения. Поэтому в оптимально сконструированном устройстве угол поля зрения приемника существенно меньше расходимости источника излучения.
Для целей оптимизации, сужение поля зрения приемника может быть достигнуто двумя путями. Во-первых, приемник излучения может оснащаться дополнительным объективом. Примером такого приемника, выпускаемого многими производителями, является фототранзистор в пластиковом корпусе со встроенной линзой. Во-вторых, для сужения поля зрения может использоваться диафрагма, отсекающая боковые лучи. Оба этих способа могут применяться по раздельности или вместе. Нужно учитывать, что сужение при помощи диафрагмы снижает эффективность использования излучения источников, так как излучение, отсеченное диафрагмой, бесполезно теряется. Применение объектива практически не снижает эффективности. Напротив, увеличение диаметра линзы позволяет собрать излучение с большей площади и повысить энергетическую эффективность.
С другой стороны, объектив не обеспечивает резкой границы поля зрения, и относительно небольшое количество энергии все же может поступать в приемник из областей документа, находящихся далеко за пределами расчетного поля. Напротив, диафрагма обеспечивает достаточно резкую границу поля зрения. Поэтому наиболее оптимальным является использование комбинации обоих вариантов. При помощи объектива задают основное сужение поля зрения, а диафрагмой отсекают боковые лучи, находящиеся за пределами расчетного поля. В этом случае энергетические потери невелики, и одновременно исключаются погрешности из-за попадания в приемник боковых лучей, относящихся к соседним областям документа.
При контроле свойств документа, таких как его подлинность, важно получить оптические характеристики документа, зарегистрированные для нескольких диапазонов длин волн излучения. Чтобы измерить эти характеристики, следует обеспечить возможность попеременно освещать документ излучением нескольких различных диапазонов длин волн. С помощью такого освещения, можно последовательно измерить оптические характеристики документа для нескольких различных диапазонов. С этой целью источники разделяют на группы, источники каждой из которых испускают излучение определенного диапазона длин волн, и выполнены с возможностью одновременного включения и выключения. Для обеспечения равномерности засветки, источники, относящиеся к разным группам, объединяют в кластеры, а сами кластеры располагают в порядке чередования с приемниками излучения. Понятие кластера предполагает несколько источников, расположенных близко друг к другу. Каждый из кластеров можно рассматривать как одиночный источник излучения с переключаемым диапазоном длин волн излучения.
Излучение, попавшее на поверхность документа, частично отражается от него, частично поглощается, а оставшаяся часть выходит с обратной стороны документа. Отношение количества излучения, вышедшего с обратной стороны документа, к количеству излучения, падающего на документ, есть коэффициент пропускания документа. Если дополнить устройство, по крайней мере, одним приемником, размещенным с возможностью регистрации излучения, прошедшего через документ, то устройство получит возможность измерять коэффициент пропускания документа. Для того чтобы найти распределение коэффициента пропускания по поверхности документа, можно использовать хорошо известные фотоприемные линейки, состоящие из множества фотоприемников, расположенных вдоль прямой линии,
Такую линейку необходимо расположить с обратной стороны канала, в котором перемещается документ, напротив второго торца световода. Полученный образ документа может включать в себя как распределение коэффициента отражения, так и коэффициента пропускания, причем каждый из них может измеряться для различных диапазонов длин волн излучения.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена схема прохождения лучей от источника к документу, в плоскости, перпендикулярной линии расположения источников и приемников.
На фиг.2 изображена схема прохождения отраженных от документа лучей, в плоскости, перпендикулярной линии расположения источников и приемников.
На фиг.3 изображена схема расположения источников и приемников излучения по ширине световода.
На фиг.4 изображена схема прохождения лучей от источников и ход отраженных лучей.
На фиг.5 показано расположение мнимых изображений, возникающих при переотражении от боковых граней световода.
Устройство для измерения оптических характеристик документа содержит излучатели 1, излучение которых входит через первый 2 торец световода 3. Это показано на Фиг.1, в проекции, направленной по линии расположения источников и приемников. Излучение перемещается в световоде 3 от его первого 2 торца ко второму 4 торцу, либо по прямой, либо по зигзагообразному пути за счет полного внутреннего отражения от больших 5 боковых отражающих граней.
Плоский световод 3 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, вытянутого в направлении линии расположения источников и приемников. Документ 6 перемещается в канале транспортировки, перпендикулярно плоскости световода 3, в направлении, показанном стрелкой. После выхода из световода 3 через его второй 4 торец излучение падает на документ 6 и образует на документе область засветки 7. За счет малого зазора между вторым 4 торцом и документом 6, излучение за время прохода от второго 4 торца до документа 6 расходится несущественно. Поэтому размер области 7 засветки лишь несколько превышает размер второго 4 торца.
Как показано на Фиг.2, после диффузного отражения от документа 6, излучение из зоны засветки 7 направляется в сторону второго 4 торца световода 3. За счет малого зазора между вторым 4 торцом и документом 6, большая часть излучения от документа 6 доходит до второго 4 торца. Далее, излучение входит в световод 3 через второй 4 торец и распространяется в нем к выходу через первый 2 торец. При этом оно может распространяться как по прямой линии, так и с переотражением от больших 5 отражающих граней световода 3.
Излучение, вышедшее из первого 2 торца, ограничивается диафрагмой 8 и входит в приемник излучения 9. Каждый из приемников оснащен интегрированной однолинзовой оптической системой, уменьшающей его угол поля зрения.
Как показано на Фиг.3, излучатели 1 и приемники 9 расположены в линию, вдоль первого 2 торца световода 3, в перемежающемся порядке. Количество и расположение излучателей выбрано таким образом, чтобы обеспечить равномерность засветки документа. Излучатели расположены с постоянным шагом S, при этом крайние излучатели смещены относительно малых 10 отражающих граней на расстояние S/2. Отметим, что малые 10 отражающие грани перпендикулярны большим 5 отражающим граням, показанным на Фиг.1. При таком расположении излучателей 1, отражение их излучения от малых 10 отражающих граней можно рассматривать как создание мнимых источников 1', продолжающих ряд источников в обе стороны за пределы области расположения источников 1. Шаг мнимых источников 1' при этом будет также равен S. Поэтому освещенность, создаваемая на поверхности документа 6, будет периодически изменяться с шагом S, но не будет иметь дополнительной неравномерности вблизи краев 11 канала для перемещения документа 6 и соответствующих им малых 10 отражающих граней световода 3.
Если возможно по конструктивным и экономическим соображениям, то следует увеличивать количество излучателей 1 и уменьшать расстояние между ними таким образом, чтобы каждая точка в области 7 засветки на документе получала излучение от возможно большего числа источников. Таким образом удается достигнуть наилучшей равномерности засветки. Если каждая точка получает излучение максимум от двух источников, то неравномерность засветки может быть минимизирована за счет выбора расстояния между первым и вторым торцами световода 3, как это описано в патенте РФ №2402815 (опубл. 27.10.2010 г.).
Без изменения общности рассуждений, можно считать, что излучатели 1 на самом деле являются кластерами, состоящими из двух и более излучателей, излучающих в различных диапазонах длин волн. Малое расстояние между излучателями, составляющими кластер, позволяет рассматривать кластер как одиночный излучатель. Например, для применения в счетчике банкнот, оптимальным является объединение в кластер двух излучателей, один из которых излучает в инфракрасном диапазоне, а другой - в видимом. При этом одновременно могут быть включены либо все инфракрасные излучатели, либо все излучатели видимого диапазона длин волн. Это позволяет создать засветку документа излучением любого из двух диапазонов, для измерения оптических характеристик документа в каждом из этих диапазонов длин волн.
Приемники 9 расположены посередине между соответствующими излучателями 1. Диафрагмы 8 расположены таким образом, чтобы не ограничивать ход лучей от излучателей 1 к первому 2 торцу световода 3.
На Фиг.4 показано, каким образом диффузно отраженное излучение распространяется от поверхности документа 6 к приемникам 9а - 9е. Ход лучей на Фиг.4 показан в плоскости, содержащей линию расположения источников и приемников. В этой плоскости, лучи, достигающие приемников, распространяются в световоде 3 прямолинейно. Каждому из приемников 9а - 9е соответствует область видимости 12а-12d на документе. Угол поля зрения приемников 9, вместе с размером и расположением диафрагм 8, определяют размер областей видимости 12. Для получения наиболее точного распределения оптической характеристики по поверхности документа, ширина областей видимости 12 выбрана равной S. За счет этого, измерение оптической характеристики документа идет по неперекрывающимся дорожкам, расположенным без зазоров. Такое расположение гарантирует, что характеристика каждой точки на поверхности документа будет учтена в данных только одного из приемников 9, и разрешающая способность устройства будет максимальной из возможных при заданном числе приемников.
В реальном производстве устройств может оказаться затруднительным поддерживать точное значение размера S области видимости. В этом случае следует выбрать его несколько превышающим S, так чтобы случайные вариации параметров экземпляров устройства не приводили к возникновении зазоров между дорожками и, как следствие, к потере информации.
Размер области видимости 12 в направлении перемещения банкноты немного превышает толщину световода 3, как показано на Фиг.2. Таким образом, оптическая разрешающая способность устройства в направлении перемещения документа определяется толщиной световода 3, а в перпендикулярном ему направлении - шириной канала транспортировки документа и количеством используемых приемников 9.
Большая величина угла расходимости излучения источников 1 необходима для повышения равномерности засветки поверхности документа, в то время как уменьшение угла поля зрения приемника требуется для повышения разрешающей способности устройства. Таким образом, угол поля зрения приемников 9 оказывается существенно меньше угла расходимости излучения излучателей 1.
Однолинзовый объектив, интегрированный в приемник 9, не обеспечивает резкой границы поля зрения, что ухудшает разрешающую способность устройства. Если бы диафрагма 8 отсутствовала, то в приемник 9 могло бы попадать излучение, которое пришло не из области видимости 12, соответствующей данному приемнику. Например, в приемник 9b могло бы попасть излучение из областей видимости 12а и 12с, которые соответствуют соседним приемникам 9а и 9с. Применение диафрагмы 8 позволяет отсечь периферические лучи и сделать границу поля зрения более резкой.
Помимо повышения разрешающей способности ограничение поля зрения приемника 9 и введение диафрагмы 8 позволяют уменьшить величину паразитной засветки, попадающей в приемник. Под паразитной засветкой понимается излучение, исходящее не из области видимости приемника на поверхности документа и потому искажающее результаты измерения оптической характеристики. В заявленном устройстве, источником паразитной засветки может быть отражение излучения источников, выходящего из световода 3 через его второй 5 торец, назад в направлении первого 2 торца световода и расположенных за ним приемников 9. Уровень отражения при небольших углах падения луча внутри световода 3 (до примерно 20 градусов) не превышает 5%, и резко растет при увеличении этого угла свыше 35 градусов. Таким образом, основную проблему представляет излучение, отражающееся от второго 4 торца под большим углом, и затем выходящее под большим углом из первого 2 торца световода 3. Малая величина угла поля зрения и его резкая граница не позволяют такому излучению паразитной засветки проникать в приемник 9.
Высокая эффективность использования излучения источников проиллюстрирована на Фиг.5. При отражении от больших 5 граней световода 3 возникают мнимые изображения световодов 3' и областей засветки 7'. При дальнейшем их отражении возникают дополнительные мнимые изображения (на рисунке не показаны), простирающиеся в бесконечность. Этот эффект хорошо известен как многократное отражение от параллельных зеркал.
Таким образом, в поле зрения приемника 9 находится не только реальная область засветки 7, но также и ее мнимые изображения 7'. Поскольку потери при переотражении малы, то светимости мнимых изображений 7' мало отличаются от светимостей реальной области засветки 7. Таким образом, приемник 9 видит фактически бесконечную равносветящуюся плоскость, состоящую из расположенных вплотную друг к другу реальной области засветки 7 и множества ее мнимых изображений 7'. Поэтому он будет регистрировать практически тот же уровень энергии, как если бы в отсутствие световода приемник (вместе с диафрагмой 8) находился на очень малом расстоянии от области засветки 7. Таким образом, применение световода 3 описанной конфигурации позволяет сделать энергетическую эффективность измерительной системы высокой и мало зависящей от расстояния между документом 6 и приемником 9. В то же время, размеры световода 3 могут быть изменены в широких пределах, так чтобы задать необходимые размеры области видимости на документе, не меняя характеристик приемника.
Вышеприведенные рассуждения справедливы при условии, что первый 2 торец световода 3 целиком перекрывает поле зрения приемника 9. В противном случае, нельзя утверждать, что приемник 9 видит бесконечную равносветящуюся плоскость, и поэтому его отклик будет ниже.