СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПОДДЕЛОК И КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ЦЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR COUNTERFEIT PROTECTION AND AUTHENTICATION OF VALUABLES

Изобретение относится к способам защиты ценных изделий от подделки и может быть использовано для защиты от подделки музейных ценностей, включая картины, ювелирные изделия, а также дорогостоящих лекарственных препаратов, объектов интеллектуальной собственности, банкнот, кредитных и иных ценных бумаг, а также для обеспечения возможности последующего определения их подлинности с использованием технических средств.
Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.
Так, из уровня техники известны индивидуальные средства защиты документов в виде перфорации, рисунок которой имеет узнаваемые нерегулярности. Перфорацию осуществляют с помощью лазерного луча, исходя из обычного рисунка, при этом управление лазером осуществляют посредством ЭВМ таким образом, что каждая перфорация имеет индивидуальную нерегулярность, зависящую от исходной величины, см., например, описание заявки DE №0368353, B44F 1/12, 1988 [1].
К недостаткам данного способа можно отнести, что они могут быть достаточно легко воспроизведены с высокой степенью соответствия оригиналу с помощью современных средств, широко известных и доступных широкому кругу специалистов.
Так из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании патента РФ №2074420, G07D 7/00, G01N 24/08, 27.02.1997 [2]. Способ заключается во введении в материал защищаемого предмета или нанесении на него метки, в качестве которой используют стабильный изотоп осмия-187 или его соединение, а определение его наличия осуществляется по ядерным магнитным свойствам. Введение в материал защищаемого предмета или нанесение на него стабильного изотопа осмия-187 может осуществляться в химическом соединении, обеспечивающем постоянную ориентацию магнитных моментов электронных оболочек атомов осмия-187. Данный способ позволяет упростить и удешевить защиты от подделки банкнот, ценных бумаг и документов при обеспечении высокой степени защищенности.
Вместе с тем, из уровня техники известен способ защиты от подделки ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2144216, G07D 7/00, G07D 7/06, G06K 19/08, 10.01.2000 [3]. Согласно данному способу в качестве средства защиты используют изотопный индикатор на основе смеси стабильных изотопов. Защитную метку формируют посредством упомянутого изотопного индикатора таким образом, чтобы обеспечивалась возможность контроля ее наличия на защищаемом изделии (при детектировании), по меньшей мере, одним из методов спектрального анализа (например, рентгенофлуоресцентным или люминесцентным методами). Данная защитная метка может быть сформирована непосредственно на защищаемом изделии или независимо от него в любом известном виде и по известным технологиям.
Кроме того, из уровня техники известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документов, например, GB 1193511, JP 9119867, US 4533244.
Также из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2276409, G07D 7/06, G06K 19/14, 10.05.2006 [4] (ближайший аналог). Согласно данному способу на изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, которая обеспечивает возможность контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты и детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями. В качестве пассивного защитного средства используют металлизированную, по меньшей мере, трехслойную резонансную фильтровую структуру. В качестве зондирующего излучения используют радиочастоту СВЧ-диапазона, в качестве информативных признаков используют характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения.
К недостаткам всех приведенных выше аналогов следует отнести их недостаточную надежность. Это связано, прежде всего, с тем, что современный уровень развития вычислительной, аналитической и множительной техники позволяет воспроизвести с высокой степенью идентичности практически любую ценную бумагу в неограниченном количестве при сравнительно небольших материальных затратах.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение уровня надежности защиты от подделок и копирования ценных изделий.
При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов, один из которых заключается в повышении степени сложности выполнения защитного средства на ценном изделии с одновременным снижением возможности его подделки, копирования, изменения.
Указанная задача решается тем, что в способе защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, обеспечивают возможность контроля его наличия и подлинности, при этом в качестве материала пассивного защитного средства используют частицы вещества наноразмерного уровня, по меньшей мере, трех разных размеров, при этом возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона и детектирования информативных признаков в оптическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим визуальным и автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров информативных признаков с информативными признаками, содержащимися в базе данных средства детектирования.
Вместе с тем, в качестве вещества частиц наноразмерного уровня возможно использование кремния или пористого кремния.
Кроме того, в качестве зондирующего электромагнитного излучения возможно использование перестраиваемого по частоте и мощности лазерного излучения в ближнем инфракрасном и видимом оптическом диапазоне длин волн.
Кроме того, в качестве детектируемых информативных признаков возможно использование контрастной фотолюминесценции элементов защитной метки.
Изобретение построено на следующем принципе. Суть способа заключается в использовании для идентификации подлинности ценных изделий физически уникальных оптических свойств частиц кремния наноразмерного уровня и пористого кремния [1, 2, 3]. Под определением «уникальные» физиками подразумеваются свойства, не характерные ни для объемного вещества, ни для молекул и атомов, из которого объемное вещество состоит.
Такими физически уникальными свойствами являются:
- сильная фотолюминесценция наночастиц при комнатной температуре (около 300К),
- зависимость спектра фотолюминесценции от размеров наночастиц («голубое» смещение),
- частотное смещение спектральных линий возбуждения и фотолюминесценции,
- зависимость интенсивности фотолюминесценции от мощности зондирующего излучения.
Как известно, люминесценцией называется поглощение энергии веществом с последующим ее переизлучением в видимом или близко к видимому диапазоне [1].
Люминесценция вещества может возбуждаться при воздействии различных по физической природе источников энергии (свет, электричество, тепло и пр.). Рассматриваемый способ предполагает использование для возбуждения люминесценции энергии лазерного излучения в ближнем ИК и видимом спектре длин волн, поэтому далее по тексту используется соответствующий физике явления термин - фотолюминесценция.
Обычный кремний обладает слабой фотолюминесценцией между 0,96 и 1,20 эВ, т.е. на энергиях, близких к ширине запрещенной зоны, составляющей при комнатной температуре 1,125 эВ. Такая фотолюминесценция в кремнии является следствием переходов электронов через запрещенную зону. Однако частицы кремния наноразмерного уровня демонстрируют сильную индуцированную светом фотолюминесценцию с энергиями заметно больше 1,4 эВ при температуре 300 К (см. фиг.1). Положение пика в эмиссионном спектре определяется размером наночастиц [1, 2, 3].
Интерес к наночастицам обусловлен сильным влиянием их размера на оптические свойства. Например, существует так называемое «голубое» смещение, т.е. сдвиг спектральных линий в сторону больших энергий при уменьшении размеров наночастиц.
Иллюстрацией этого эффекта могут служить спектры фотолюминесцентной эмиссии (см. фиг.3) семи квантовых точек с размерами от 1,5 до 4,3 нм [1].
Квантовая точка - наночастица с размерами нанометрового диапазона по всем трем измерениям. Эпитет «квантовая» используется вследствие подчинения свойств таких наночастиц законам квантовой механики.
В общем случае методика возбуждения фотолюминесценции может состоять в сканировании по частоте возбуждающего света и регистрации эмиссии в очень узком спектральном диапазоне. На фиг.2 иллюстрируются спектры возбуждения и фотолюминесценции наночастиц CdSi размером 5,6 нм [1]. Важно отметить наблюдаемое частотное смещение спектральной линии возбуждения относительно спектральной линии фотолюминесценции.
При этом возбуждение фотонами больших энергий (больше ширины энергетической щели) может быть наиболее эффективным при исследовании фотолюминесценции объемных материалов. Однако в случае наноматериалов было обнаружено, что при больших энергиях падающих фотонов эффективность фотолюминесценции падает. В этом случае начинают доминировать безизлучательные пути релаксации возбуждений.
Ниже приводится описание графических материалов, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 иллюстрируется зависимость интенсивности фотолюминесценции наночастиц пористого кремния от времени электрохимического травления пластины кремния, которое определяет размеры наночастиц. Чем меньше размер наночастиц (меньше время травления), тем выше интенсивность фотолюминесценции [1, 2].
На фиг.2. показаны спектры квантовых точек из CdSe диаметром 5,6 нм при температуре 10 К: а) спектр поглощения (сплошная линия) и фотолюминесценции (пунктирная линия), полученный при возбуждении на 2,655 эВ (467 нм); б) спектр возбуждения, полученный на частоте эмиссии, показанной стрелкой вниз на верхнем графике. Наблюдается частотное смещение спектральной линии возбуждения относительно спектральной линии фотолюминесценции [1].
На фиг.3. приведены нормализованные спектры возбуждения фотолюминесценции для семи квантовых точек с размерами от 1,5 нм (верхний спектр) до 4,3 нм (нижний спектр) [1].
На фиг.4 представлен пример блок-схемы устройства для осуществления детектирования защитной метки и контроля ее подлинности. Для обозначения блоков приняты следующие сокращения:
ПЛ - перестраиваемый лазер,
УУЧИ - устройство управления частотой излучения ПЛ,
ЛЛ - лазерный луч,
ОЛ1, 2 - оптические линзы 1 и 2,
ОФ - оптический фильтр,
УУОФ - устройство управления ОФ,
УОФ1, 2, 3 - узкополосный ОФ 1, 2 и 3 соответственно,
УУУОФ - устройство управления УОФ 1-3
ЭМС1, 2 - электромеханические системы 1 и 2 «включения» ОФ и
УОФ 1-3 соответственно,
ЗМ - защитная метка (штрихкод),
ЗИ - защищаемое изделие,
ЗЛИ - зондирующее лазерное излучение,
ФИЗМ - фотолюминесцентное изображение защитной метки,
РФА - регистрирующая фотоаппаратура,
ЭВУ - электронно-вычислительное устройство,
МЭВУ - монитор ЭВУ,
БДШЗМ - база данных шаблонов защитных меток.
В качестве примера возможного принципа формирования защитной метки может быть рассмотрено применение штрихкода, выполненного с использованием наночастиц одно, двух или трех существенно различных, но подобранных размеров. Упомянутый штрихкод может нести в себе информацию, например, о номинале банкноты, серии и номере с указанием года выпуска и т.п., продублированную или троированную для дальнейшего детектирования двумя или тремя размерами наночастиц соответственно.
Контроль подлинности защитной метки осуществляют в два этапа.
Первый этап.
При воздействии на указанную метку зондирующего лазерного излучения с частотой и мощностью, характерными для возбуждения фотолюминесценции примененных при формировании штрихкода наночастиц, возникает контрастное фотолюминесцентное изображение штрихкода на одной, второй и третьей «резонансной», т.е. вызывающей фотолюминесценцию, частоте излучения возбуждающего лазера (в случае применения трех размеров наночастиц).
Второй этап.
При воздействии на указанную метку зондирующего лазерного излучения с частотой, характерной для возбуждения фотолюминесценции примененных при формировании штрихкода наночастиц, но с увеличенной мощностью, происходит снижение контрастности фотолюминесцентного изображения штрихкода или практически полное его «исчезновение» с защищаемого объекта вследствие увеличения числа безизлучательных путей релаксации возбуждений.
Подавление фоновой засветки на частоте излучения возбуждающего фотолюминесценцию лазера обеспечивается за счет использования узкополосных (например, дифракционных) оптических фильтров.
Для реализации рассмотренного способа защиты ценных изделий, в частности, банкнот, кредитных документов и иных ценных бумаг, выбирают структуру защитной метки, наиболее подходящую для защищаемого устройства. Могут быть использованы различные известные из уровня техники варианты и способы формирования и нанесения защитной метки.
Поскольку конкретные методы нанесения изображений, например, на банкноты различных достоинств, являются охраняемыми сведениями государства, а их выбор не ограничивает сферу применения предлагаемого способа, предположим, что защитная метка выполняется в виде упомянутого выше штрихкода, который наносится на защищаемый объект штемпельным, трафаретным или иным известным способом. К слову сказать, устойчивость изображения, выполненного с использованием наночастиц на поверхности бумаги, сама по себе высока. Это явление может быть объяснено их глубоким проникновением в структуру материала. Гарантированную износоустойчивость защитной метки на основе наночастиц можно получить при использовании различного рода пластификаторов на различных стадиях изготовления защищаемых объектов, прежде всего банкнот, кредитных и иных ценных бумаг.
Современный уровень техники позволяет выполнить оборудование для устройства детектирования защитной метки как в стационарном, так и в переносном вариантах. Вариант блок-схемы устройства для контроля подлинности защищаемого объекта приведена на фиг.4.
2
3
2
4
3+
4+
В качестве ПЛ могут быть использованы, например, лазеры приставки-преобразователи на кристаллах AlO:Ti и форстерита (MgSiO:Cr), которые предназначены для преобразования энергии генерации основной частоты и второй гармоники YAG (YLF):Nd лазеров с модулированной добротностью резонатора в перестраиваемое узкополосное излучение ближних ИК, ультрафиолетовой и видимой областей спектра [4].
В принципе, вместо перестраиваемого лазера можно использовать несколько самостоятельных лазеров, количество и частоты излучения которых должны соответствовать числу типоразмеров примененных для создания ЗМ наночастиц.
Управление мощностью излучения лазера и подавление фоновой засветки на частоте излучения возбуждающего фотолюминесценцию лазера может быть выполнено, например, введением в оптическую схему соответствующих оптических (затемняющих и узкополосных) фильтров.
В качестве регистрирующей фотолюминесценцию фотоаппаратуры может быть использована, например, цифровая фотокамера, аналогичная используемой для цели дактилоскопии (см. выше по тексту) или иное устройство, например, на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Оптические элементы: линзы, фильтр для ослабления мощности лазерного излучения и узкополосные, например дифракционные, фильтры особенностей не имеют.
Последовательность работы устройства детектирования ЗМ в соответствии с ранее описанными этапами и идентификацию подлинности обеспечивает программа ЭВУ.
Пусть для формирования ЗМ используются наночастицы трех размеров. Для идентификации ЗМ защищаемое изделие помещается в устройство для ее детектирования. Исходное состояние оптического фильтра ОФ - «включенное», т.е. он установлен с помощью ЭМС1 на пути прохождения ЛЛ (положение 1а на фиг.4), вследствие чего мощность излучения ПЛ оказывается пониженной до рабочего уровня, обеспечивающего требуемую интенсивность фотолюминесценции наночастиц.
Первый этап идентификации ЗМ.
Электронно-вычислительное устройство формирует сигнал первого «уровня», который поступает в УУЧИ перестраиваемого лазера. В результате этого УУЧИ обеспечивает параметры ПЛ, при которых частота его излучения соответствует необходимой для возбуждения фотолюминесценции наночастиц первого размера. При этом ОЛ1 предназначена для рассеивания ЛЛ на поверхность ЗМ, а ОЛ2 обеспечивает работу РФА.
«Включенный» (положение 1б на фиг.4) с помощью ЭМС2 и УУУОФ по сигналу ЭВУ узкополосный фильтр УФ1 настроен на пропускание длины волны фотолюминесценции наночастиц первого размера, что обеспечивает «отсечку» фонового излучения с частотой генерации лазера, возбуждающего фотолюминесценцию этих частиц. Регистрирующая фотолюминесцентное изображение ЗМ фотоаппаратура известным образом преобразовывает его в цифровое, которое поступает в ЭВУ. В ЭВУ происходит корреляционное сравнение цифрового изображения ЗМ с соответствующим шаблоном, хранящимся в БДШЗМ. Одновременно цифровое изображение ЗМ выводится на монитор ЭВУ для визуального контроля и сравнения его с приведенными в соответствующих инструкциях или с упоминавшимися уже шаблонами, изображение которых также может быть выведено на монитор ЭВУ.
Затем ЭВУ последовательно формирует на входе УУЧИ сигналы второго и третьего «уровней», одновременно с этим обеспечивая через УУУФ и ЭМС2 «включение» УФ2, затем УФ3. При этом процесс корреляционного сравнения повторяется второй и третий раз.
Результатами первого этапа могут быть следующие:
- фотолюминесценция ЗМ отсутствует,
- контрастное фотолюминесцентное изображение ЭМ регистрируется на всех частотах возбуждения.
Первый результат указывает на то, что ЗМ на защищаемом изделии либо отсутствует, либо выполнена с использованием ненаночастиц или наночастиц других размеров. Второй результат для первого этапа является положительным.
Второй этап идентификации ЗМ.
Электронно-вычислительное устройство формирует сигнал, который поступает на вход УУМИ. В соответствии с этим сигналом ЭМС1 «выключает» ОФ, убрав его с пути ЛЛ (положение 2а на фиг.4), и мощность зондирующего лазерного излучения возрастает.
Процесс идентификации, описанный выше, последовательно повторяется четвертый, пятый и шестой раз.
Положительным результатом второго этапа являются заметное снижение контрастности или исчезновение фотолюминесцентного изображения ЗМ для каждой из частот возбуждения. Дополнительный контроль обеспечивается за счет визуального наблюдения изменения контрастности фотолюминесцентного изображения на МЭВУ.
Таким образом, применение предлагаемого способа, основанного на использовании физически уникальных оптических свойств частиц вещества наноразмерного уровня, обеспечивает гарантированную защиту ценных изделий от подделки и возможность последующего определения их подлинности с высокой достоверностью как визуально, так и автоматически с использованием технических средств.
Литературные источники
1. Ч.Пул, Ф.Оуэнс. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии. М., Техносфера, 2004.
2. П.К.Кашкаров. Необычные свойства пористого кремния. Соросовский образовательный журнал, том 7, №1, 2001.
3. С.П.Зимин. Пористый кремний - материал с новыми свойствами. Соросовский образовательный журнал, том 8, №1, 2004.
4. Производство компании ЛОТИС (Лазеры - Оптика - Технология и Системы) при Институте физики Академии наук Белоруссии.