УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕННЫХ ДОКУМЕНТОВ
APPARATUS AND METHOD FOR OPTICAL VERIFICATION OF VALUABLE DOCUMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для оптического исследования ценных документов, а также к устройствам для обработки ценных документов с применением предлагаемого в изобретении устройства для исследования ценных документов.
Уровень техники
Под ценными документами понимаются предметы, которые представляют собой, например, денежную ценность или определенное полномочие, и поэтому они не должны изготавливаться не уполномоченными на то лицами. По этой причине они имеют признаки, которые непросто изготовить, прежде всего скопировать, и наличие которых является свидетельством подлинности, т.е. факта изготовления ценного документа уполномоченной на то организацией.
Важными примерами подобных ценных документов являются чип-карты, купоны, талоны, чеки и прежде всего банкноты.
Важным классом признаков таких ценных документов являются оптически распознаваемые признаки, к которым относятся, прежде всего, признаки, в которых используются люминофоры, которые при их облучении оптическим излучением испускают люминесцентное излучение, т.е. люминесцируют, с заданной длиной волны и характерным спектром. При этом под оптическим излучением понимается электромагнитное излучение в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях электромагнитного спектра.
Для проверки подлинности ценный документ можно облучать подходящим для этого оптическим излучением. В этом случае с помощью соответствующего сенсорного устройства можно проверить, возбуждает ли оптическое излучение люминесценцию в заданных местах на ценном документе или в нем, для чего исходящее от ценного документа оптическое излучение подвергают спектральному анализу. Такая проверка должна проходить как можно быстрее и требовать небольших аппаратных ресурсов; для того чтобы устройства, в которых выполняется проверка подлинности по люминесцентным признакам, занимали как можно меньше места, желательно, чтобы устройство для проверки люминесцентных признаков имело очень компактную конструкцию, но при этом обладало бы спектральным разрешением и чувствительностью, достаточными для того, чтобы распознавать наличие характерного спектра люминесценции.
Раскрытие изобретения
Поэтому в основу изобретения была положена задача разработки устройства для оптического исследования ценных документов, которое обладало бы очень компактной малогабаритной конструкцией, а также соответствующего способа исследования ценных документов.
Эта задача согласно первому варианту решается в устройстве для оптического исследования ценных документов, имеющем зону обнаружения, в которой при исследовании находится ценный документ, и спектрографическое устройство для исследования оптического излучения, приходящего из зоны обнаружения. Спектрографическое устройство содержит пространственно диспергирующий оптический прибор для по меньшей мере частичного разложения оптического излучения, приходящего из зоны обнаружения, на спектрально разделенные, распространяющиеся в различных направлениях соответственно длине волны спектральные компоненты, детекторное устройство (приемник излучения), обладающее пространственным разрешением по меньшей мере в одном направлении пространства и предназначенный для обнаружения спектральных компонент, прежде всего с пространственным разрешением, и коллиматорно-фокусирующую оптическую систему для коллимирования оптического излучения, направленного из зоны обнаружения на диспергирующий прибор, и для фокусировки по меньшей мере некоторых из спектральных компонент, созданных посредством диспергирующего оптического прибора, на детекторное устройство. Эта задача согласно первому варианту решается также в способе оптического исследования ценного документа, при осуществлении которого оптическое излучение, исходящее от ценного документа, формируют с помощью оптической системы, прежде всего коллиматорно-фокусирующей оптической системы, в параллельный пучок лучей, этот пучок лучей по меньшей мере частично разлагают на спектральные компоненты различных длин волн, которые в зависимости от длины волны распространяются в различных направлениях, по меньшей мере некоторые из спектральных компонент фокусируют с помощью оптической системы на детекторное устройство, и обнаруживают спектральные компоненты, сфокусированные на детекторное устройство.
В предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно первой альтернативе, для исследования ценного документа в зоне обнаружения используется спектральное разложение оптического излучения, исходящего из зоны обнаружения, прежде всего от находящегося в зоне обнаружения ценного документа, которое в дальнейшем называется также регистрируемым излучением. Для этого предлагаемое в изобретении устройство имеет пространственно диспергирующий прибор, который по меньшей мере частично разлагает падающее оптическое излучение на спектральные компоненты, которые распространяются, в зависимости от длины волны соответствующей спектральной компоненты, в различных в пространственном отношении направлениях. При этом диспергирующий прибор может работать лишь в заданном, в зависимости от исследуемых ценных документов, диапазоне длин волн. Наличие оптического излучения в определенном направлении пространства, а значит, и наличие соответствующей спектральной компоненты детектируется детекторным устройством с пространственным разрешением, сигналы детектирования которого для по меньшей мере частичной регистрации определенного спектра исходящего из зоны обнаружения излучения посылаются в устройство обработки, где они могут подвергаться анализу. При этом зона обнаружения в частном случае может выбираться таким образом, чтобы обеспечить подачу исследуемых ценных документов в зону обнаружения заданным транспортирующим устройством для перемещения ценных документов, например приводимыми в движение ремнями.
Детекторное устройство в частном случае может включать в себя несколько детекторных элементов, предназначенных для обнаружения падающего на них оптического излучения с генерированием соответствующих сигналов детектирования и предпочтительно расположенных в виде линейки. Вместе с тем, можно применять и двумерное поле из детекторных элементов.
Особым отличием предлагаемого в изобретении устройства является то, что для выполнения двух задач, а именно, во-первых, для коллимирования оптического излучения, исходящего из зоны обнаружения, прежде всего от находящегося в ней ценного документа, а во-вторых, для фокусировки спектрально разложенных компонентов на детекторное устройство, в нем используется только одна оптическая система, каковой является коллиматорно-фокусирующая оптическая система.
Предложение этой неожиданно простой конструкции основано на том наблюдении, что для целей проверки ценных документов достаточно лишь посредственной, по сравнению с научной спектроскопией, спектральной разрешающей способности, которую можно просто получить предлагаемыми средствами.
Применение всего одной оптической системы для коллимирования и фокусировки также позволяет получить путь лучей после оптической системы по меньшей мере с одним изломом, что обеспечивает хорошую спектральную разрешающую способность при малых габаритах.
По сравнению с другим возможным решением, а именно применением отображающей решетки, изобретение дает еще одно преимущество - то, что диспергирующий прибор и коллиматорно-фокусирующая оптическая система являются сравнительно простыми компонентами, а значит, легкими и недорогими в производстве.
Кроме того, юстировки требует лишь одна коллиматорно-фокусирующая оптическая система, тогда как в конструкциях с отдельными оптическими системами для коллимирования и фокусировки юстировать нужно две оптические системы.
Еще одно преимущество предлагаемой компоновки устройства заключается в том, что она позволяет получить очень высокую числовую апертуру пути лучей между коллиматорно-фокусирующей оптической системой.
Коллиматорно-фокусирующая оптическая система может, в принципе, иметь любое исполнение. Например, в качестве коллимирующего и фокусирующего оптического элемента она может содержать по меньшей мере одно отображающее зеркало. Для того же, чтобы достичь как можно более простого пути (хода) лучей и экономной конструкции, коллиматорно-фокусирующая оптическая система в предпочтительном исполнении имеет по меньшей мере одну линзу, в качестве которой может выступать лучепреломляющая линза или дифракционная оптическая линза.
Для достижения хорошего спектрального разрешения и обеспечения простоты обработки сигналов и калибровки детекторного устройства в предлагаемом в изобретении устройстве коллиматорно-фокусирующая оптическая система может быть ахроматической. Это следует понимать в том смысле, что эта оптическая система в спектральном диапазоне, в котором работает спектрографическое устройство, подвергнута хроматической коррекции; в предпочтительном варианте фокальные точки для двух различных длин волн в заданном спектральном диапазоне накладываются друг на друга. Применение ахроматической оптической системы дает то преимущество, что исходящее из зоны обнаружения и направленное на диспергирующий прибор излучение в хорошем приближении не претерпевает дополнительного спектрального расщепления, и особенно при фокусировке спектральных компонент на детекторное устройство если хроматические аберрации и возникают, то в небольшом объеме. При этом для того, чтобы при использовании входной диафрагмы или эквивалентного устройства оставаться как можно ближе к теоретическому пределу разрешения, определяемому величиной отверстия диафрагмы, например шириной щели в случае щелевой диафрагмы, следует стремиться к тому, чтобы круг нерезкости для точки изображения на детекторном устройстве, возникающий вследствие хромазии в подтверждаемом спектральном диапазоне, или рабочем спектральном диапазоне устройства, предпочтительно оставался меньшим 1/5, особенно предпочтительно меньшим 1/10, размера отверстия диафрагмы.
В принципе, детекторное устройство может быть расположено и ориентировано относительно пути лучей, идущих из зоны обнаружения, любым образом. Вместе с тем, в предлагаемом в изобретении устройстве предпочтительно, чтобы направление излучения, падающего на коллиматорно-фокусирующую оптическую систему из зоны обнаружения, было наклонено к поверхности развертывания спектральных компонент в области между коллиматорно-фокусирующей оптической системой и детекторным устройством. Этот вариант выполнения устройства обеспечивает особенно экономное с точки зрения занимаемого пространства размещение детекторного устройства. Особенно в том случае, когда спектральные компоненты развернуты по поверхности, представляющей собой плоскость, детекторное устройство может содержать проходящую в направлении этой плоскости линейку детекторных элементов, расположенную ниже или выше плоскости, определяемой ходом лучей излучения, исходящего из зоны обнаружения. Предпочтительно также, чтобы между коллиматорно-фокусирующей оптической системой и диспергирующим прибором направление исходящего из зоны обнаружения излучения было наклонено к поверхности развертывания спектральных компонент в области между коллиматорно-фокусирующей оптической системой и диспергирующим прибором.
Далее, в предлагаемом в изобретении устройстве по меньшей мере на участке, находящемся непосредственно перед коллиматорно-фокусирующей оптической системой, геометрическая проекция излучения, приходящего из зоны обнаружения, на поверхность развертывания падающих на детекторное устройство спектральных компонент, ограничиваемую этими спектральными компонентами, может лежать на этой поверхности. Это обеспечивает особенно компактную компоновку устройства.
Кроме того, в предлагаемом в изобретении устройстве на пути лучей из зоны обнаружения к спектрографическому устройству могут быть расположены диафрагма, помещенная в фокальной плоскости коллиматорно-фокусирующей оптической системы, и изображающая оптическая система для отображения зоны обнаружения на диафрагму. При этом диафрагма, в частности, может быть воплощена в физическом теле с отверстием или же в отклоняющем лучи элементе, например зеркале или светоделителе, имеющем по меньшей мере частично отражающую поверхность, представляющую диафрагму.
Тогда в особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения детекторное устройство может отстоять от диафрагмы в направлении, перпендикулярном направлению, в котором разделены спектральные компоненты. Это обеспечивает особенно компактную конструкцию предлагаемого в изобретении устройства.
При этом предпочтительно, чтобы диафрагма находилась, глядя в направлении пространственного расщепления спектральных компонент, сбоку от детекторного устройства рядом с ним. При этом в зависимости от ориентации предлагаемого в изобретении устройства относительно земли "сбоку" может означать "над" или "под". В случае применения детекторного устройства с линейкой детекторных элементов нормаль, проведенная от диафрагмы к линейке, предпочтительно пересекает саму линейку.
В принципе в качестве диспергирующего прибора может использоваться любой оптический компонент или комбинация оптических компонентов, который(-ые) по меньшей мере частично расщепляет(-ют) падающее излучение на спектральные компоненты, распространяющиеся в различных направлениях соответственно их длине волны. Например, в этом качестве может использоваться призма. Однако в предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства диспергирующий оптический прибор содержит оптическую решетку. При этом в качестве спектральных компонент предпочтительно использовать спектральные компоненты первого порядка дифракции, хотя возможно также использование более высоких порядков дифракции. Этот вариант осуществления изобретения имеет то преимущество, что решетку можно просто и при небольших затратах получить для любых диапазонов оптического спектра, прежде всего для инфракрасного диапазона, В случае решетки речь может идти о любой решетке, изготовленной, например, механическим, литографическим или голографическим методами.
При этом предпочтительно использовать отражательную решетку, которая направляет спектральные компоненты непосредственно в коллиматорно-фокусирующую оптическую систему, за счет чего можно достичь особенной компактности конструкции устройства.
Далее предпочтительно, чтобы решетка была ориентирована относительно детекторного устройства и выбрана таким образом, чтобы излучение нулевого порядка дифракции не падало на детекторное устройство. Это дает то преимущество, что нулевой порядок дифракции при необходимости можно использовать для других исследований. В качестве решетки можно применять, прежде всего, ступенчатую решетку. В качестве ступенчатой решетки особенно предпочтительно использовать концентрирующую дифракционную решетку. Это имеет то преимущество, что за счет соответствующего выполнения и расположения решетки излучение заданного для формирования спектральных компонент порядка дифракции может получить особенно высокую интенсивность.
Дифракционная решетка может быть ориентирована своей обладающей диспергирующим действием линейчатой структурой перпендикулярно оптической оси коллиматорно-фокусирующей оптической системы. В этом случае исходящее из зоны обнаружения излучение должно падать на решетку с наклоном к оптической оси. В предпочтительном же варианте линейчатые структуры решетки расположены с наклоном к оптической оси коллиматорно-фокусирующей оптической системы. Это упрощает юстировку друг под друга всех компонентов, расположенных между зоной обнаружения и коллиматорно-фокусирующей оптической системой.
Далее, диспергирующий оптический прибор может сам быть отражательным или может быть объединен с отражательным элементом, что позволяет сократить число оптических компонентов. Вместе с тем, в качестве диспергирующего прибора также может применяться диспергирующий оптический прибор, работающий в проходящих лучах, и тогда для отражения сформированных диспергирующим прибором компонент излучения в коллиматорно-фокусирующую оптическую систему предусмотрен отклоняющий элемент, например зеркало.
В особенно предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства детекторное устройство содержит по меньшей мере два краевых детекторных элемента, расположенных с возможностью прохождения между ними по меньшей мере части регистрируемых лучей. Путь регистрируемых лучей из зоны обнаружения к диспергирующему прибору по меньшей мере частично проходит через детекторное устройство, что обеспечивает компактность конструкции.
Однако эта компактность достигается не только в устройстве, выполненном согласно первой альтернативе, т.е. при использовании коллиматорно-фокусирующей оптической системы.
Положенная в основу изобретения задача решается также согласно второй альтернативе - в устройстве для оптического исследования ценных документов, имеющем зону обнаружения, в которой при исследовании находится ценный документ, и спектрографическое устройство, содержащее пространственно диспергирующий оптический прибор для по меньшей мере частичного разложения оптического излучения, приходящего из зоны обнаружения вдоль пути регистрируемых лучей, на спектрально разделенные, распространяющиеся в различных направлениях соответственно длине волны спектральные компоненты, и детекторное устройство для обнаружения спектральных компонент, обладающее пространственным разрешением по меньшей мере в одном направлении пространства и содержащее по меньшей мере два краевых детекторных элемента, расположенных с возможностью прохождения между ними по меньшей мере части регистрируемых лучей.
В случае обеих альтернатив детекторное устройство, помимо обоих названных краевых детекторных элементов, имеет и другие детекторные элементы, которые к ним примыкают и расположены линейкой. При этом краевые детекторные элементы могут ничем, кроме своего положения, не отличаться от возможно имеющихся других детекторных элементов, хотя возможен и вариант с различным выполнением детекторных элементов. Тогда мы имеем детекторное устройство с двумя линейками детекторных элементов, расположенных вдоль каждой линейки. Строки детекторных элементов образуют зазор, через который проходит по меньшей мере часть пути регистрируемых лучей. Оба краевых детекторных элемента расположены с обеих сторон зазора.
Особенно компактная конструкция предлагаемого в изобретении устройства достигается в обеих альтернативах, если это устройство выполнено таким образом, чтобы в зоне обоих краевых детекторных элементов путь регистрируемых лучей проходил параллельно плоскости, определяемой путями распространения спектральных компонент. В частности, путь регистрируемых лучей после обоих краевых детекторных элементов и пути распространения спектральных компонент могут по меньшей мере частично проходить в одной плоскости, что позволяет получить особенно компактную конструкцию.
В принципе, в устройстве, выполненном согласно второй альтернативе, диспергирующий прибор может быть выполнен так же, как и в случае первой альтернативы, при этом, однако, нужно принять во внимание измененные пути лучей. В частности, диспергирующий прибор может работать на отражение. Если коллиматорно-фокусирующая оптическая система не используется, в устройстве, выполненном согласно второй альтернативе, особенно предпочтительно, чтобы пространственно диспергирующий оптический прибор содержал изображающий диспергирующий элемент, который фокусирует на детекторное устройство, предпочтительно на его детекторные элементы, включая краевые детекторные элементы, прошедшее из зоны обнаружения между краевыми детекторными элементами оптическое излучение по меньшей мере для одного заданного спектрального диапазона с расщеплением этого излучения на спектральные компоненты. Этот вариант выполнения устройства дает, в частности, то преимущество, что можно использовать лишь небольшое число компонентов.
Диспергирующий прибор предлагаемого в изобретении устройства, выполненного согласно второй альтернативе, может быть выполнен в вариантах, соответствующих первой альтернативе. В частности, диспергирующий оптический прибор может содержать оптическую решетку, предпочтительно является являющейся ступенчатой решеткой, ступени которой подобраны таким образом, чтобы на детекторное устройство не падало излучение нулевого порядка дифракции. Применение решетки позволяет обеспечить особенно вариативную настройку расщепления излучения на спектральные компоненты.
Кроме того, решетка может быть выполнена просто в виде отражательной решетки, что позволяет получить конструкцию с небольшим числом элементов.
Если решетка представляет собой линейную дифракционную решетку, предпочтительно, чтобы линейчатые структуры решетки проходили перпендикулярно пути регистрируемых лучей непосредственно перед оптической решеткой. За счет этого спектральные компоненты могут снова направляться на детекторные элементы детекторного устройства.
В зоне между обоими краевыми детекторными элементами обнаруживают (детектируют) спектральную компоненту. Поэтому в предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно обеим альтернативам, путь лучей от пространственно диспергирующего прибора к детекторному устройству предпочтительно проходит таким образом, чтобы спектральная компонента заданной длины волны была направлена между обоими краевыми детекторными элементами. В частности, детекторное устройство, или его детекторные элементы, и диспергирующий прибор можно расположить относительно друг друга подходящим для этого образом. Длина волны может быть задана соответственно назначению предлагаемого в изобретении устройства. Если предлагаемое в изобретении устройство должно применяться, например, для измерения люминесценции или рамановского излучения, заданная длина волны предпочтительно равна длине волны возбуждающего излучения, используемого для возбуждения соответственно люминесценции или рамановского излучения.
В особенности для проверки банкнот часто желательно обеспечить возможность обнаружения излучения в различных диапазонах оптического спектра, прежде всего в его видимой и инфракрасной частях, со спектральным разрешением. Поэтому в предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно одной или другой альтернативе, предпочтительно, чтобы два краевых детекторных элемента обнаруживали излучение в разных спектральных диапазонах. Если детекторное устройство имеет две линейки детекторных элементов, у которых на противоположных концах расположено по два краевых детекторных элемента, предпочтительно, чтобы детекторные элементы каждой из двух линеек обнаруживали излучение в одном и том же спектральном диапазоне, вследствие чего диапазоны обнаруживаемого излучения будут различаться для детекторных элементов, расположенных с противоположных сторон зазора. В частности, одна линейка может содержать детекторные элементы для обнаружения излучения по меньшей мере в видимом диапазоне оптического излучения, например детекторные элементы на основе кремния, а другая - детекторные элементы для обнаружения излучения в инфракрасном диапазоне, предпочтительно с длинами волн выше 900 нм, на основе InGaAs-полупроводников. Это дает преимущество возможности обнаружения излучения в особенно широком спектральном диапазоне при небольшой потребной площади для размещения детекторных элементов. В особенности, это позволяет преодолеть тот недостаток, что чувствительность детекторных элементов на основе кремния на практике слишком низка для обнаружения излучения в спектральном диапазоне длин волн выше 1100 нм.
2
Для того чтобы при как можно меньших временах регистрации излучения достичь хорошего отношения "сигнал-шум", в предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно одной или другой альтернативе, предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые детекторные элементы детекторного устройства имели площадь чувствительной поверхности, составляющую по меньшей мере 0,1 мм. Таким образом, в частности, можно получить значительные преимущества по сравнению с использованием элементов на приборах с зарядовой связью (ПЗС) в плане отношения "сигнал-шум" и времени регистрации излучения.
В особенно предпочтительном варианте детекторное устройство имеет, прежде всего дополнительно к обоим краевым детекторным элементам, детекторные элементы, позволяющие одновременно вырабатывать сигналы детектирования, характеризующие определенное свойство падающего на детекторные элементы излучения, прежде всего его интенсивность. Этот вариант дает то преимущество, что сигналы детектирования, формируемые детекторными элементами на основе спектральных компонент, могут регистрироваться одновременно, что, особенно по сравнению с ПЗС-матрицами, обеспечивает высокую скорость регистрации или частоту повторения измерений. В частности, детекторные элементы могут быть считываемыми независимо друг от друга или могут независимо друг от друга вырабатывать сигналы детектирования.
В этом случае особенно предпочтительно, чтобы предлагаемое в изобретении устройство, выполненное согласно одной или другой альтернативе, содержало устройство обработки, связанное с детекторными элементами сигнальными соединениями и осуществляющее параллельную регистрацию (сбор) сигналов детектирования, формируемых детекторными элементами. Подобное устройство в предпочтительном случае может использоваться для того, чтобы после испускания лишь одного импульса регистрировать по меньшей мере один спектр, предпочтительно временную последовательность спектров, что является рациональным решением, прежде всего, для исследования явлений люминесценции.
При этом весьма выгоден вариант, в котором устройство обработки регистрирует сигналы детектирования от детекторных элементов детекторного устройства в зависимости от сигнала, характеризующего посылку импульса освещающего излучения, падающего на зону обнаружения. Это позволяет очень просто и одновременно точно выполнять исследование люминесценции, например банкноты, поскольку можно задать временной промежуток между моментами посылки импульса и регистрации люминесценции.
Для того чтобы при обнаружении излучения ограничить или вовсе исключить уменьшение отношения "сигнал-шум" вследствие постороннего излучения, в предлагаемых в изобретении устройствах, выполненных согласно обеим альтернативам, на пути регистрируемых лучей между зоной обнаружения и пространственно диспергирующим оптическим прибором предпочтительно установить фильтр, подавляющий излучение в заданном спектральном диапазоне. Заданный спектральный диапазон, в свою очередь, может выбираться в зависимости от назначения устройства. Если применять предлагаемое в изобретении устройство, например, для измерения люминесценции или рамановского излучения, заданным спектральным диапазоном может быть, например, спектральный диапазон возбуждающего излучения, используемого для возбуждения соответственно люминесценции или рамановского излучения. Вместе с тем, можно также применять фильтры, которые пропускают излучение только в спектральном диапазоне, определяемом обнаруживаемыми спектральными компонентами, но по меньшей мере сильно ослабляют излучение вне этого диапазона.
Далее, в предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно одной или другой альтернативе, на пути лучей между зоной обнаружения и промежуточным пространством, образованным обоими краевыми детекторными элементами, или коллиматорно-фокусирующей оптической системой предпочтительно предусмотреть светоделитель, обеспечивающий отвод части приходящего из зоны обнаружения оптического излучения от пути лучей, ведущего к коллиматорно-фокусирующей оптической системе. Преимущество этого варианта заключается в том, что исходящее из зоны обнаружения излучение не только может подвергаться спектральному исследованию, но также может использоваться, по меньшей мере частично, для других исследований, например для целей формирования изображений или для спектрального анализа в других, не анализируемых спектрографическим устройством, спектральных диапазонах. В особенно предпочтительном варианте устройства вышеупомянутый фильтр образован светоделителем, выполненным для этого соответствующим образом.
В зависимости от типа освещения предлагаемое в изобретении устройство не обязательно должно иметь входную щель, или, в общем случае, входную диафрагму, или же иное устройство, выполняющее ту же функцию. Однако предпочтительно, чтобы устройство, выполненное согласно одной или другой альтернативе, имело по меньшей мере один компонент, выполняющий функцию входной диафрагмы.
Так, например, предлагаемое в изобретении устройство может иметь входную диафрагму, расположенную, по меньшей мере приблизительно - т.е. в зоне глубины резкости изображающих элементов, расположенных за входной щелью вдоль пути лучей - в плоскости детекторных элементов. Эта входная диафрагма может быть предусмотрена как отдельный компонент, но предпочтительно она образована детекторными элементами и/или одним или несколькими носителями детекторных элементов. Это обеспечивает особенно простую конструкцию. При использовании светоделителя или отклоняющего лучи элемента, расположенного на пути регистрируемых лучей от зоны обнаружения до диспергирующего прибора, светоделитель или отклоняющий лучи элемент, например зеркало, также выполняют функцию входной щели. Передача регистрируемого излучения с особенно низкими потерями при одновременном обеспечении защиты от проникновения постороннего излучения может быть достигнута в предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном согласно одной или другой альтернативе, предпочтительно за счет того, что на пути регистрируемых лучей расположен световод для направления регистрируемого излучения, причем конец световода расположен между обоими краевыми детекторными элементами. Этот конец предпочтительно также может выполнять функцию входной диафрагмы. При этом под световодом понимается, в частности, также любой элемент, предназначенный для направления, а при необходимости - и для отклонения оптического излучения, регистрируемого посредством диспергирующего прибора и детекторного устройства со спектральным разрешением. Соответственно, в зависимости от выполнения диспергирующего прибора и детекторного устройства световод может быть, в частности, выполнен также с возможностью направления невидимого оптического излучения в инфракрасном диапазоне.
Хотя освещение зоны обнаружения возможно, в принципе, с использованием окружающего света, предлагаемое в изобретении устройство, выполненное согласно одной или другой альтернативе, предпочтительно снабдить источником излучения для направления освещающего оптического излучения по меньшей мере в одном заданном диапазоне длин волн в зону обнаружения. При этом в качестве освещающего излучения может использоваться падающий свет или проходящий свет.
В предпочтительном варианте устройства, выполненного согласно одной или другой альтернативе, оно содержит по меньшей мере один полупроводниковый источник излучения для освещения зоны обнаружения. Применение полупроводниковых источников излучения имеет ряд преимуществ. Так, полупроводниковые источники излучения имеют, как правило, значительно больший срок службы, чем другие источники излучения. Кроме того, для испускания оптического излучения заданной мощности они требуют меньшей входной мощности и выделяют меньше тепла, что значительно снижает требования к охлаждению устройства. Кроме того, имеются полупроводниковые источники излучения для различных диапазонов длин волн, что позволяет простым образом генерировать возбуждающее излучение в заданных диапазонах длин волн. В качестве полупроводниковых источников излучения подходят, например, светоизлучающие диоды или сверхлюминесцентные диоды, но предпочтительным являются полупроводниковые лазеры. При этом под полупроводниковыми источниками излучения понимаются не только компоненты на основе неорганических полупроводников, на и компоненты на основе органических материалов, прежде всего органических светодиодов.
В принципе, при использовании освещения зоны обнаружения в падающем свете освещающее излучение можно направлять на ценный документ под углом к нему. Однако предпочтительно, чтобы на пути лучей от зоны обнаружения к спектрографическому устройству был расположен светоделитель, посредством которого оптическое излучение от полупроводникового источника излучения попадает в зону обнаружения или падает на нее, прежде всего направляется к зоне обнаружения. Это имеет то преимущество, что освещающее излучение можно направлять на ценный документ перпендикулярно, благодаря чему возникает меньше рассеянного излучения, способного затруднить обнаружение регистрируемого излучения. Особенно целесообразным является применение дихроичного светоделителя, позволяющего отделить излучение в области освещающего излучения, попадающего в зону обнаружения, от регистрируемого излучения, исходящего от ценного документа, предназначенного для спектрального разложения и находящегося в заданном диапазоне длин волн, который может быть выбран, например, в зависимости от по меньшей мере одного оптического признака ценного документа. Это повышает отношение "сигнал-шум" при обнаружении регистрируемого излучения.
Еще одним объектом изобретения является устройство для обработки ценных документов, содержащее предлагаемое в изобретении устройство для исследования ценных документов, выполненное согласно одной или другой альтернативе, и путь транспортировки для перемещения обрабатываемых ценных документов, проходящий в зону обнаружения и/или через нее. При этом, в частности, путь транспортировки ценных документов может иметь, например, ремни, приводимые в движение транспортировочным устройством для перемещения ценных документов. В частности, в качестве устройств для обработки ценных документов могут использоваться счетчики и/или сортировщики банкнот, автоматические кассы для приема и выдачи ценных документов, прежде всего банкнот, а также аппараты для проверки подлинности ценных документов.
Краткое описание чертежей
Ниже сущность изобретения поясняется на примерах его осуществления с привлечением чертежей, на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение сортировщика банкнот,
на фиг.2 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения,
на фиг.3 - схематический местный вид сбоку устройства, показанного на фиг.2,
на фиг.4 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно второму предпочтительному варианту осуществления изобретения,
на фиг.5 - схематический местный вид сбоку устройства, показанного на фиг.4,
на фиг.6 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения,
на фиг.7 - схематический местный вид сбоку устройства, показанного на фиг.6,
на фиг.8 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения,
на фиг.9 - схематический местный вид сбоку устройства, показанного на фиг.8,
на фиг.10 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения,
на фиг.11 - схематический местный вид сбоку устройства, показанного на фиг.10,
на фиг.12 - схематический вид в аксонометрии набора детекторных элементов со световодом устройства, показанного на фиг.10,
на фиг.13 - схематический вид сверху устройства для исследования банкнот, выполненного согласно еще одному варианту осуществления изобретения, и
на фиг.14 - схематическое изображение набора детекторных элементов различной ширины.
Осуществление изобретения
На фиг.1 в качестве примера устройства для обработки ценных документов показан сортировщик 1 банкнот с устройством для исследования банкнот, выполненным согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Сортировщик 1 банкнот имеет расположенный в корпусе 2 входной карман 3 для банкнот BN, в который пакетами либо вручную, либо автоматически могут подаваться подлежащие обработке банкноты BN, при необходимости после предварительного удаления бандеролей, и образовать в нем стопку. Введенные во входной карман 3 банкноты BN поштучно отделяются от стопки листоотделителем 4 и с помощью транспортировочного устройства 5, определяющего путь транспортировки банкнот, перемещаются через сенсорное устройство 6, предназначенное для исследования банкнот. Сенсорное устройство 6 в данном варианте его выполнения включает в себя несколько сенсорных модулей, размещенных в общем корпусе. При этом сенсорные модули служат для проверки подлинности, состояния и достоинства проверяемых банкнот BN. После прохождения через сенсорное устройство 6 проверенные банкноты BN в зависимости от результатов их исследования или проверки в сенсорном устройстве 6 и заданных критериев сортировки с помощью стрелок 7, переставляемых туда и обратно по сигналам управления стрелками между двумя разными положениями, и соответствующих укладчиков 8 со спиральными отделениями рассортировываются и выкладываются в выходные карманы 9, из которых они (банкноты) могут извлекаться вручную или отводиться автоматически. При этом управление сортировщиком 1 банкнот, прежде всего преобразование сигналов результатов исследований от сенсорного устройства 6 в сигналы управления стрелками 7, осуществляется устройством 10 управления.
Как упомянуто выше, сенсорное устройство 6 в этом варианте выполнения имеет различные сенсорные модули, из которых показан на чертежах и описан ниже более подробно только сенсорный модуль 11, представляющий собой устройство для исследования ценных документов, в рассматриваемом варианте банкноты BN, выполненное согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения и называемое ниже проверочным устройством. Сенсорные модули для распознавания состояния, т.е. годности к обращению, и достоинства, или номинала, банкнот BN представляют собой обычные, знакомые специалисту сенсорные модули и поэтому не нуждаются в более подробном описании.
Проверочное устройство 11 в этом его варианте выполнено с возможностью обнаружения и анализа люминесценции, возбуждаемой при освещении заданных банкнот оптическим излучением заданной длины волны, в данном варианте - в инфракрасном диапазоне спектра.
Проверочное устройство 11 имеет корпус 12 датчиков с пластинкой 13, прозрачной для используемого для исследования оптического излучения и закрывающей окно в зону 14 обнаружения, в которой по меньшей мере частично находится банкнота BN во время ее исследования. Корпус 12 датчиков с пластинкой 13 выполнен и, в частности, закрыт таким образом, чтобы несанкционированный доступ к содержащимся в нем компонентам был невозможен без повреждения корпуса 12 датчиков и/или пластинки 13.
Зона 14 обнаружения, определяемая, в числе прочих факторов, расположением и характеристиками оптических компонентов проверочного устройства 11, ограничена с противоположной корпусу 12 датчиков стороны пластиной 33, в принципе не являющейся обязательной, с возможностью перемещения банкноты BN мимо пластинки 13 в направлении Т, проходящем перпендикулярно плоскости чертежа на фиг.2, посредством транспортировочного устройства 5, на фиг.2 не показанного.
Проверочное устройство 11 содержит освещающее устройство 15 для направления освещающего излучения в зону 14 обнаружения, в частности, на ценный документ, в рассматриваемом варианте банкноту BN, по меньшей мере частично находящийся в зоне 14 обнаружения, и спектрографическое устройство 16 для исследования оптического излучения, исходящего из зоны 14 обнаружения, или от находящегося в ней ценного документа, прежде всего для обнаружения (регистрации) этого излучения со спектральным разрешением. В рассматриваемом варианте регистрируемое излучение включает в себя люминесценцию (люминесцентное излучение) в диапазоне длин волн, определяемом типом ценных документов, например инфракрасную люминесценцию. Это оптическое излучение, исходящее из зоны 14 обнаружения в направлении пластинки 13, ниже также называется регистрируемым излучением. Для ввода в спектрографическое устройство 16 оптического излучения, проходящего из зоны 14 обнаружения через пластинку 13 в корпус 12 датчиков, т.е. регистрируемого излучения, служит детекторная оптическая система 17.
Освещающее устройство 15 включает в себя полупроводниковый источник 18 излучения в виде полупроводникового лазера, который в рассматриваемом варианте испускает оптическое излучение в видимом диапазоне, а также осветительную оптическую систему. В других вариантах выполнения устройства полупроводниковый лазер может также быть выполнен с возможностью испускания излучения в инфракрасном диапазоне. Осветительная оптическая система включает в себя первую коллиматорную оптическую систему 19, расположенную на пути освещающих лучей и предназначенную для преобразования оптического излучения, испускаемого полупроводниковым источником 18, в освещающий луч или параллельный пучок 20, дихроичный светоделитель 21, который отражает освещающий луч или пучок 20 и отклоняет его, в рассматриваемом варианте на 90°, на пластинку 13, и первую конденсорную оптическую систему 22 для фокусировки освещающего излучения через пластинку 13, которая также является частью осветительной оптической системы, в зону 14 обнаружения, прежде всего на ценный документ BN, находящийся в зоне 14 обнаружения.
Детекторная оптическая система 17 включает в себя первую конденсорную оптическую систему 22, расположенную вдоль пути регистрируемых лучей, проходящего из зоны 14 обнаружения или от находящегося в ней ценного документа BN к спектрографическому устройству 16 и входящего в него, рядом с пластинкой 13 и собирающую излучение, исходящее из точки на находящемся в зоне 14 обнаружения ценном документе BN, в параллельный пучок лучей, светоделитель 21, который прозрачен для излучения, подводимого к спектрографическому устройству 16, но отфильтровывает с пути регистрируемых лучей освещающее излучение, оказывающееся на пути регистрируемых лучей в виде рассеянного излучения за счет отражения, и вторую конденсорную оптическую систему 23 для фокусировки параллельных лучей регистрируемого излучения на входное отверстие спектрографического устройства 16. Между второй конденсорной оптической системой 23 и спектрографическим устройством 16 при необходимости могут быть расположены фильтр 24 для отфильтровывания с пути регистрируемых лучей нежелательных спектральных составляющих, прежде всего составляющих в диапазоне длин волн освещающего излучения, а также отклоняющий элемент 25, в рассматриваемом варианте представляющий собой зеркало и предназначенный для отклонения регистрируемого излучения на заданный угол, составляющий в рассматриваемом варианте 90°. В других вариантах осуществления изобретения фильтр 24 может быть расположен на пути параллельных лучей перед второй конденсорной оптической системой 23. Это имеет преимущество, заключающееся в возможности простого использования, например, интерференционных фильтров.
Спектрографическое устройство 16 имеет входную диафрагму 26 с отверстием 27, которое в рассматриваемом варианте является щелевым и вытянуто по длине по меньшей мере приблизительно перпендикулярно плоскости, определяемой путем регистрируемых лучей.
Регистрируемое излучение, проходящее через отверстие 27 диафрагмы в рассматриваемом варианте сводится в пучок ахроматической коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 спектрографического устройства 16. Коллиматорно-фокусирующая оптическая система 28 на чертежах представлена лишь символически как линза, в действительности же она часто может выполняться как комбинация линз. Под ахроматичностью этой оптической системы понимается то, что она в диапазоне длин волн, в котором работает спектрографическое устройство 16, скорректирована в отношении хроматических аберраций. В других диапазонах длин волн соответствующая коррекция не требуется. Входная диафрагма 26 и коллиматорно-фокусирующая оптическая система 28 выполнены таким образом, что отверстие 27 диафрагмы находится, по меньшей мере. в хорошем приближении, в фокальной плоскости коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, расположенной со стороны входной диафрагмы.
Спектрографическое устройство 16 также содержит пространственно диспергирующий прибор 29, в рассматриваемом варианте - оптическую решетку, который по меньшей мере частично разлагает падающее на него регистрируемое излучение, т.е. оптическое излучение, приходящее из зоны обнаружения, на спектрально разделенные, распространяющиеся в различных направлениях соответственно длине волны спектральные компоненты,
Для обнаружения этих спектральных компонент с пространственным разрешением по меньшей мере в одном направлении пространства служит детекторное устройство 30 спектрографического устройства 16. Сигналы детектирования, формируемые при обнаружении этих компонент, подаются в устройство 31 обработки спектрографического устройства 16, которое регистрирует сигналы детектирования и на их основе осуществляет сравнение зафиксированного спектра с заданными спектрами. Устройство 31 обработки связано с устройством 10 управления с возможностью передачи последнему результатов сравнения посредством соответствующих сигналов.
Пространственно диспергирующий прибор 29 в рассматриваемом варианте представляет собой отражательную решетку с линейчатой структурой, линии которой проходят параллельно плоскости, проходящей через продольное направление отверстия 27 диафрагмы, и оптической оси коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28. Расстояние между линиями выбрано таким образом, чтобы обеспечить спектральное разложение регистрируемого излучения в заданном спектральном диапазоне, в рассматриваемом варианте - в инфракрасном диапазоне. Для этого диспергирующий прибор 29 ориентирован таким образом, чтобы разделенные спектральные компоненты, в рассматриваемом варианте имеющие первый порядок дифракции, фокусировались коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 на детекторное устройство 30. Для получения как можно более высокого отношения "сигнал-шум" расстояние между линиями и положение диспергирующего прибора 29 выбраны таким образом, чтобы составляющие регистрируемого излучения, не претерпевшие спектрального разложения, в рассматриваемом варианте - имеющие нулевой порядок дифракции, попадали не в коллиматорно-фокусирующую оптическую систему 28, а в не показанную на чертежах ловушку излучения, например на поглощающую регистрируемое излучение пластину.
Детекторное устройство 30 имеет строчный набор детекторных элементов 32 для регистрации спектральных компонент, например линейку ПЗС-элементов, ориентированную, по меньшей мере приблизительно, параллельно по направлению пространственного расщепления излучения на спектральные компоненты, т.е. в данном случае поверхности S, а точнее сказать - плоскости развертывания спектральных компонент. Плоскость S обозначена на фиг.3 штриховой линией.
Для достижения как можно более компактной конструкции, диспергирующий прибор 29, с одной стороны, установлен с наклоном в двух направлениях относительно детекторного устройства 30 и направления падающего регистрируемого излучения между коллиматорно-фокусирующей оптической системой и вызывающим излом пути лучей отражательным компонентом, в данном случае диспергирующим прибором 29. Поскольку в рассматриваемом варианте направление регистрируемого излучения между коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 и отражательным компонентом, т.е. диспергирующим прибором 29, проходит параллельно оптической оси О коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, во-первых, плоская отражательная решетка 29, а значит - и ее линейчатая структура, расположена с наклоном к оптической оси О коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28 в плоскости пути регистрируемых лучей. Поэтому по меньшей мере в области между диспергирующим прибором 29 и коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 образуемая спектральными компонентами поверхность S, которая в рассматриваемом варианте является плоскостью, наклонена относительно направления регистрируемого излучения, или оптической оси О коллиматорно-фокусирующей оптической системы, на угол β. В частности, нормаль к плоской отражательной решетке 29 в плоскости пути регистрируемых лучей наклонена к оптической оси О коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28 на угол β (см. фиг.3). Во-вторых, диспергирующий прибор 16, а точнее - нормаль в точке падения для зеркального отражения, т.е. в данном случае нормаль к плоскости линейчатой структуры отражательной решетки 29, наклонен к направлению регистрируемого излучения, или оптической оси О между коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 и диспергирующим прибором 29 на угол α.
С другой стороны, линейка детекторных элементов 32 детекторного устройства 30 расположена по меньшей мере приблизительно в одной плоскости с отверстием 27 диафрагмы и отстоит от отверстия 27 диафрагмы в направлении, перпендикулярном плоскости S, определяемой направлениями распространения спектральных компонент, на фиг.3 - выше отверстия 27 диафрагмы. На фиг.2 и 3 для наглядности входная диафрагма 26 и принимающие поверхности детекторных элементов 32 показаны расположенными на расстоянии друг от друга параллельно фокальной плоскости коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, в действительности же в этом варианте они расположены по существу в одной общей плоскости. Глядя в направлении, параллельном линейке детекторных элементов 32, отверстие 27 диафрагмы расположено примерно посредине этой линейки.
Отсюда также следует, как видно из фиг.2, что на участке между входной диафрагмой 26 и коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28, т.е., в частности, также непосредственно перед коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28, геометрическая проекция регистрируемого излучения, приходящего из зоны 14 обнаружения, на поверхность А развертывания падающих на детекторное устройство 30 спектральных компонент, ограничиваемую этими спектральными компонентами и в данном случае имеющую трапециевидную форму, лежит на этой поверхности. За счет этого достигается особенно компактная компоновка устройства.
В этом варианте детекторное устройство 30, входная диафрагма 26, коллиматорно-фокусирующая оптическая система 28 и диспергирующий прибор 29 выполнены и расположены таким образом, чтобы находиться в круглоцилиндрической области пространства, для которой ось цилиндра определяется оптической осью коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, а диаметр цилиндра - диаметром коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, или диаметром имеющейся в ней линзы или наибольшей из линз. При этом предпочтительно, чтобы длина круглоцилиндрической области пространства была меньше 50 мм, в рассматриваемом варианте - меньше 40 мм. В результате достигается особенно малая потребность в площади под спектрографическое устройство, причем одновременно можно получить большую, по сравнению с протяженностью, числовую апертуру.
Для оптического исследования ценного документа, в данном случае банкноты BN, находящейся в зоне 14 обнаружения, ценный документ освещают освещающим излучением, в рассматриваемом варианте - оптическим излучением от полупроводникового источника 18 излучения, подходящим для возбуждения люминесценции, а из идущего от ценного документа оптического излучения, в данном случае - люминесценции или люминесцентного излучения, посредством детекторной оптической системой 17 и коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28 формируют параллельный пучок регистрируемых лучей. Этот пучок по меньшей мере частично разлагают на спектральные компоненты различных длин волн, которые в зависимости от длины волны распространяются в различных направлениях. На фиг.2 излучение нулевого порядка дифракции, отражаемое без спектрального расщепления, представлено сплошной линией, а спектральные компоненты с двумя различными длинами волн, определяемые первым порядком дифракции, представлены соответственно пунктирной и штриховой линиями. Эти спектральные компоненты фокусируются коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 на детекторное устройство 30, точнее - на линейку детекторных элементов 32, и обнаруживаются (детектируются) ими с пространственным разрешением. Каждый детекторный элемент 32 поставлен в соответствие определенному направлению распространения излучения и тем самым - определенной спектральной компоненте в зависимости от ее длины волны. Таким образом, на основе положений детекторных элементов 32 и регистрируемых каждым из них интенсивностей устройство 31 обработки строит спектр, который после этого может сравниваться с контрольными спектрами.
Второй предпочтительный вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.4 и 5, отличается от первого варианта, во-первых, типом диспергирующего прибора и, во-вторых, расположением освещающего устройства. Соответственно, одинаковые компоненты обозначены на чертежах теми же самыми номерами позиций, и в отношении этих компонентов применимы пояснения, приведенные выше для первого варианта осуществления изобретения.
В этом варианте вместо плоской отражательной решетки 29 используется концентрирующая дифракционная решетка 29′, ступени которой наклонены так, чтобы первый порядок дифракции распространялся в направлении зеркального отражения. Это позволяет получить более высокую интенсивность спектральных компонент.
В первом варианте осуществления изобретения освещающее устройство можно, в принципе, поворачивать вокруг оптической оси первой конденсорной оптической системы 22, не оказывая влияния на его функцию. Поэтому для достижения как можно более компактной конструкции в этом варианте полупроводниковый источник 18 излучения и коллиматорная оптическая система 19 расположены рядом с коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28,
Другие варианты осуществления изобретения отличаются от первого и второго вариантов тем, что вместо отклоняющего элемента 25 используется отклоняющий элемент 25′, заменяющий собой входную диафрагму 26. Соответствующая модификация первого варианта показана на фиг.6 и 7. На этих чертежах одинаковые компоненты обозначены на чертежах теми же самыми номерами позиций, и в отношении этих компонентов применимы пояснения, приведенные выше для первого варианта осуществления изобретения. Отклоняющий элемент 25′ в этом варианте представляет собой зеркало размером с отверстием 27 диафрагмы, имеющееся в первом варианте, и расположен в фокальной плоскости коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения отличаются от описанных выше тем, что детекторное устройство 30 и входная диафрагма 26 объединены вместе. Для этого отверстие диафрагмы выполнено в пластине, которая также служит опорой детекторных элементов 32.
В других вариантах осуществления изобретения освещающее устройство 15 содержит в качестве источника излучения не лазерный диод 18, а светоизлучающий диод (светодиод), сверхлюминесцентный диод или органический светодиод.
В других вариантах осуществления изобретения освещающее устройство 15 может также включать в себя по меньшей мере два полупроводниковых источника излучения, испускающих оптическое излучение с различными средневзвешенными длинами волн, т.е. средними значениями длин волн излучения, взвешенными по интенсивности излучения, и включаемых/выключаемых независимо друг от друга. Это позволяет последовательно проводить исследования на различных длинах волн.
В других предпочтительных вариантах можно вообще обойтись без входной диафрагмы 26. В этом случае освещающее устройство 15 выполнено таким образом, чтобы освещать в зоне обнаружения лишь узкую вытянутую в длину область, для чего первая конденсорная оптическая система 19 может включать в себя цилиндрическую линзу.
Другие варианты осуществления изобретения отличаются от описанных выше вариантов тем, что на пути регистрируемых лучей расположены дополнительные линзы, обеспечивающие уменьшение аберраций, вызываемых элементами детекторной оптической системы и коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, или улучшение освещения.
Другие варианты осуществления изобретения отличаются от описанных выше вариантов тем, что отклоняющий элемент 25 или 25′ представляет собой светоделитель, что позволяет выделять проходящие через такой светоделитель составляющие регистрируемого излучения, например, для формирования изображения ценного документа.
В других вариантах осуществления изобретения может использоваться также освещение проходящим светом.
Кроме того, использование отражательного диспергирующего оптического прибора, например отражательной решетки 29, не является обязательным. Так, еще в одном варианте осуществления изобретения, который в этом отношении отличается от варианта, показанного на фиг.6 и 7, на пути регистрируемых лучей после коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28 может быть расположена пропускающая решетка 29", по меньшей мере частично разлагающая регистрируемое излучение на спектральные компоненты. В этом случае спектральные компоненты могут отражаться обратно в коллиматорно-фокусирующую оптическую систему 28 посредством по меньшей мере одного отражательного компонента 34, например зеркала, наклоненного к плоскости развертывания спектральных компонентов.
Благодаря возникающему при этом излому пути лучей после коллиматорно-фокусирующей оптической системы достигается значительно большая компактность, чем в возможном случае устройства, в котором за пропускающей решеткой вместо зеркала расположены фокусирующая оптическая система и детекторное устройство.
В других вариантах корпус 12 датчиков и/или пластина 33 могут быть выполнены иначе или вообще могут отсутствовать.
Кроме того, в других вариантах осуществления изобретения устройство 31 обработки может быть встроено в устройство 10 управления.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения отличаются от описанных выше тем, что детекторное устройство вместо линейки ПЗС-элементов содержит расположенные строкой фотоприемные элементы, например КМОП-элементы, или фотоприемные элементы для обнаружения оптического излучения в других диапазонах длин волн.
Вариант выполнения подобного выполнения проверочного устройства, который, как и все описанные выше проверочные устройства, может использоваться, например, в показанном на фиг.1 устройстве для обработки ценных документов, представлен на фиг.10-12.
Помимо типа детекторных элементов, проверочное устройство 11" отличается от проверочного устройства 11, показанного на фиг.1, тем, что теперь путь регистрируемых лучей проходит между двумя краевыми детекторными элементами детекторного устройства на диспергирующий прибор. В частности, эти проверочные устройства отличаются лишь тем, что детекторное устройство 30 заменено детекторным устройством 34, отклоняющий элемент 25 заменен световодом 35, а устройство 31 обработки заменено модифицированным устройством 31′ обработки. Кроме того, диспергирующий прибор 29 ориентирован относительно детекторного устройства 30 иначе. Поскольку в остальном проверочное устройство не отличается от первого варианта, одинаковые компоненты обозначены на чертежах теми же самыми номерами позиций, и в отношении этих компонентов применимы пояснения, приведенные выше для первого варианта осуществления изобретения.
Детекторное устройство 34, показанное более подробно на фиг.12, имеет носитель 36, в рассматриваемом варианте - керамическую подложку, на котором расположены первые детекторные элементы 37 в виде первой строчной компоновки, или линейки, 39 и вторые детекторные элементы 38 в виде второй строчной компоновки, или линейки, 39′. В этом варианте детекторные элементы 37 и 38 расположены только вдоль прямой линии. Под детекторным элементом 37 и 38 на фиг.12 расположены контактные элементы 40, электрически соединенные с детекторными элементами через выполненный на носителе усилительный каскад и связанные сигнальными соединениями со схемами или устройствами обработки.
Детекторные элементы 37 и 38 расположены с противоположных сторон выреза или проема 41 в носителе 36, который в этом варианте выполнен прямоугольным. Таким образом, между обоими краевыми детекторными элементами 42 и 43 имеется зазор.
Детекторные элементы 37 отличаются от детекторных элементов 38 спектральным диапазоном обнаруживаемого излучения.
В случае детекторных элементов 37 речь идет о детекторных элементах для обнаружения оптического излучения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, т.е. до длины волны 1100 нм. В этом варианте они обнаруживают полезное излучение в спектральном диапазоне от 400 до 1100 нм. В данном случае, например, могут использоваться детекторные элементы на основе кремния.
В случае детекторных элементов 38 речь идет о детекторных элементах для обнаружения оптического излучения в инфракрасной области. Спектральный диапазон обнаруживаемого ими полезного излучения в рассматриваемом варианте находится между 900 и 1700 нм. В данном случае, например, могут использоваться детекторные элементы на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), обладающие чувствительностью в спектральном диапазоне выше 900 нм.
Детекторные элементы 37 и 38 расположены по отношению к диспергирующему прибору 29 таким образом, чтобы распространяющиеся от диспергирующего прибора спектральные компоненты с длинами волн выше 900 нм направлялись на детекторные элементы 38, а спектральные компоненты с длинами волн ниже 900 нм - на детекторные элементы 37.
По сравнению с ПЗС-матрицами в данном случае используется значительно меньшее число детекторных элементов 37 и 38, например, от десяти до тридцати, которые, однако, имеют большую рабочую (чувствительную) поверхность и меньшую долю нечувствительных к оптическому излучению участков. При этом рабочая поверхность детекторных элементов определяется исходя из того, чтобы регистрировать только падающее на него оптическое излучение.
2
Рабочие поверхности предпочтительно имеют площадь по меньшей мере 0,1 мм, в рассматриваемом варианте они имеют высоту 2 мм и ширину 1 мм, причем нечувствительные к оптическому излучению участки между соседними детекторными элементами имеют протяженность около 50 мкм.
В этом варианте детекторные элементы 37 и 38 могут считываться по отдельности независимо друг от друга и, прежде всего, параллельно.
Для этого в рассматриваемом варианте вышеупомянутый усилительный каскад содержит на каждый из детекторных элементов по одному аналого-цифровому преобразователю, который преобразует аналоговые сигналы от соответствующего детекторного элемента в цифровой сигнал детектирования, характеризующий интенсивность упавшего на рабочую поверхность излучения.
На пути регистрируемых лучей расположен световод 35, изготовленный из подходящего прозрачного материала, проводящий входящее в него регистрируемое излучение по меньшей мере в обнаруживаемом проверочным устройством спектральном диапазоне и отклоняющий его в направлении диспергирующего прибора 29.
Конец 44 световода 35, через который из него выходит регистрируемое излучение, расположен в проеме 41, а значит, в фокальной плоскости коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28. Таким образом, путь регистрируемых лучей проходит между обоими краевыми детекторными элементами 42 и 43. При этом выходной срез или конец 44 световода 35 образует входную диафрагму или входную щель спектрографического устройства.
При этом световод 35 ориентирован относительно оптической оси О коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28 таким образом, чтобы выходящее через его конец 44 излучение, с усреднением по сечению пучка, проходило по меньшей мере приблизительно параллельно оптической оси О и перпендикулярно плоскости носителя 36 и прежде всего строчным компоновкам детекторных элементов.
Как видно на фиг.11, диспергирующий прибор 29, прежде всего линии его решетки ориентированы в показанной на фиг.11 плоскости перпендикулярно оптической оси О. В показанной же на фиг.10 плоскости, перпендикулярной плоскости на фиг.11, образованная линиями решетки линейчатая структура наклонена к оптической оси О.
Таким образом, создаваемые диспергирующим прибором 29 спектральные компоненты фокусируются коллиматорно-фокусирующей оптической системой 28 на детекторное устройство 34, а точнее - на детекторные элементы 37 и 38, которые обнаруживают соответствующие спектральные компоненты.
Благодаря выбранному взаимному расположению световода 35, коллиматорно-фокусирующей оптической системы 28, диспергирующего прибора 29 и детекторного устройства 34 достигается прохождение пути регистрируемых лучей параллельно плоскости, определяемой создаваемыми диспергирующим прибором 29 спектральными компонентами, или частично в этой плоскости.
При этом угол α выбран таким образом, чтобы фокусировать спектральную компоненту, соответствующую заданной длине волны, в рассматриваемом варианте - определяемой применением для люминесцентных измерений длине волны возбуждающего люминесценцию излучения, в зазор между обоими краевыми детекторными элементами 42 и 43 и таким образом не обнаруживать эту компоненту.
Как возможный вариант, устройство 31′ обработки модифицировано относительно устройства 31 обработки с тем, чтобы обеспечить по существу параллельную регистрацию сигналов детектирования от детекторных элементов или детекторного устройства. При этом "по существу параллельно" понимается в том смысле, что сигналы детектирования могут различаться по времени прохождения, по меньшей мере настолько, что для их передачи к устройству 31′ обработки, например по шине, потребуется применение того или иного метода уплотнения.
Кроме того, устройство 31′ обработки выполнено таким образом, чтобы регистрировать сигналы детектирования от детекторного устройства 34 по прошествии заданного, в зависимости от ожидаемой люминесценции, временного промежутка после прохождения сигнала на посылку импульса для полупроводникового источника 18 излучения.
Обеспечиваемое этим параллельное считывание детекторных элементов 37 и 38 позволяет получить малые времена интегрирования и, прежде всего, высокую частоту повторения измерений. Эта мера также способствует повышению отношения "сигнал-шум".
В особенности, это проверочное устройство может применяться в режиме так называемого моноимпульсного измерения, предусматривающем посылку импульса освещающего или возбуждающего излучения и выполнение единственного измерения спектральных характеристик люминесценции, результаты которого имеют достаточную для проведения анализа точность.
Как возможный вариант, устройство 31′ обработки также может быть выполнено с возможностью применения проверочного устройства таким образом, чтобы после посылки полупроводниковым источником излучения возбуждающего импульса многократно регистрировать сигналы детектирования от детекторных элементов в определенной временной последовательности и тем самым фиксировать несколько спектров с возможностью анализа характера изменения спектра во времени.
Еще один вариант, показанный на фиг.13, отличается от последнего рассмотренного варианта, представленного на фиг.10-12, лишь тем, что коллиматорно-фокусирующая оптическая система 28 и диспергирующий прибор 29 в виде плоской отражательной решетки заменены изображающим диспергирующим элементом 45 с передачей ему их функции. Все другие составные части и компоненты остались без изменений, поэтому для них используются те же самые номера позиций и к ним также применимы пояснения, приведенные при рассмотрении последнего варианта.
В этом варианте в качестве изображающего диспергирующего элемента используется голографическая решетка 45, которая отображает входную диафрагму 44, в рассматриваемом варианте - конец 44 световода 35, со спектральным разрешением на детекторные элементы 37 и 38.
В рассматриваемом варианте изображающая решетка 24 в предпочтительном исполнении имеет более чем примерно 300, а в особенно предпочтительном исполнении - более чем примерно 500 штрихов или линий, т.е. вызывающих дифракцию элементов, на миллиметр, чтобы, несмотря на компактную конструкцию, обеспечить достаточную дисперсию люминесценции, падающей на детекторный элемент 34. При этом предпочтительно, чтобы расстояние между изображающей решеткой 45 и детекторным устройством 34 было меньшим, чем примерно 70 мм, особенно предпочтительно - меньшим, чем примерно 50 мм.
В других вариантах осуществления изобретения может быть предусмотрено применение отдельных детекторных элементов 45, имеющих различные размеры, прежде всего в направлении дисперсии спектральных компонент, как это показано в качестве примера на фиг.14. Поскольку обычно анализ проводят не по всем длинам волн спектра или только диапазонам длин волн одинаковой ширины, а целенаправленно анализируют лишь отдельные длины волн или диапазоны длин волн, имеющие различную ширину, детекторные элементы могут быть выполнены таким образом, чтобы их ширина в направлении, параллельном определяемой спектральными компонентами плоскости, была согласована с соответственно анализируемыми длинами волн (диапазонами длин волн).
В других вариантах осуществления изобретения, прежде всего в тех, где применяется коллиматорно-фокусирующая оптическая система, перед детекторным устройством или линейкой детекторных элементов может быть расположена цилиндрическая линза, которая фокусирует регистрируемое излучение на детекторные элементы и ось цилиндра которой с этой целью ориентирована параллельно линейке детекторных элементов.
С помощью такой цилиндрической линзы можно увеличить участок зоны обнаружения, используемый для обнаружения излучения, в направлении, соответствующем направлению, перпендикулярному оси цилиндра цилиндрической линзы, и тем самым повысить располагаемую интенсивность излучения, используемую для его обнаружения.