УСТРОЙСТВО АУТЕНТИФИКАЦИИ ЗАЩИТНОЙ МЕТКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ЛЮМИНОФОР

Полезная модель относится к устройствам контроля достоверности объектов, на которые нанесена защитная метка (защитная маркировка), содержащая люминофор, например, банкнот, ценных бумаг и других объектов, при использовании которых важно убедиться в достоверности их происхождения.
Решение основано на использовании особых свойств люминофоров, введенных в печатные краски или другие композиции, которые наносятся на объекты, подлежащие аутентификации, в виде защитной метки (защитной маркировки). Особенностью таких люминофоров является характерное эмитированное люминесцентное послесвечения после их возбуждения. В таких люминофорах энергия возбуждения превращается в энергию послесвечения люминофора с другой длиной волны. Указанные люминофоры являются классическими ингредиентами защитных меток или маркировок объектов, при использовании которых важно убедиться в достоверности их происхождения.
Если эмитированное излучение (люминесцентное послесвечение) имеет большую длину волны, чем возбуждающе излучение, то говорят о "стоковской" люминесценции. Если люминесцентное послесвечения имеет меньшую длину волны, чем возбуждающе излучения, то говорят об "антистоковской" люминесценции.
Антистоковские люминофоры находят наиболее широкое распространение, так как характеризуются высокой степенью защиты от подделки, что объясняется уникальностью ингредиентов и сложностью технологии их изготовления. Большинство известных антистоковских люминофоров являются редкоземельными кристаллическими веществами сложного состава.
Люминофор может быть возбужден электромагнитным излучением в широком диапазоне частот (γ-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, излучение светового диапазона, инфракрасное излучение) с использованием любого типа источника излучения (светодиодов, лазеров, источников света, рентгеновских импульсов, импульсных электронных пучков и другое).
Люминесцентное послесвечение люминофора может находиться в ультрафиолетовой области (менее 400 нм), в области видимого света (400-700 нм) или в диапазоне инфракрасного излучения (700-2500 нм) электромагнитного спектра.
Большинство люминофоров могут эмитировать одновременно на нескольких диапазонах электромагнитного спектра.
Люминесцентное послесвечение, характеризуется специфическим угасанием интенсивности люминесценции в зависимости от времени, что являются специфической характеристикой люминофора. Люминесцентное послесвечение люминофора регистрируется визуально или измеряется специальной аппаратурой. Характеристики излучения послесвечения люминофора специфичны для определенного типа люминофора и позволяют подтвердить подлинность метки по совпадению этих характеристик с известными характеристиками излучение настоящей метки.
Все, указанное выше, является общеизвестным.
Известные устройства для аутентификации защитных меток, содержащих люминофор, как правило, включают средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечение люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Известен прибор для определения подлинности люминесцентной защитной метки документа, в котором аутентификация защитной метки выполняется путем возбуждения люминофора защитной метки излучателем электромагнитной волны с длиной волны, соответствующей длине волны возбуждения люминофора, регистрации излучения послесвечения (отклика) люминофора приемником излучения послесвечения и последующего анализа характеристик послесвечения люминофора для определения достоверности (подлинности) защитной метки (патент США №6784441, МПК G01N 21/64, дата публикации 31.08.2004).
В качестве излучателя электромагнитной волны возбуждения люминофора использован лазерный диод, излучение которого фокусируется специальной оптикой в сканирующий луч, направленный на защитную метку контролируемого объекта для возбуждения люминофора в метке.
В качестве приемника излучения послесвечения (отклика) люминофора использован фотодиод, на который специальной оптической системой собирается и направляется излучение послесвечения (отклика) люминофора.
Сигнал фотодиода передается в блок обработки сигнала для аутентификации защитной метки.
Для определения подлинности документа (аутентификации защитной метки) прибор (его оптическая система) должен непосредственно контактировать с контролируемым документом.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, которое включает средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, средства измерения сигнала фотодетектора и анализа характеристик послесвечения люминофора,
Недостатком указанного прибора является необходимость использования сложной оптической системы и непосредственного контакта прибора с поверхностью тестируемого объекта.
Известно детекторное устройство (международная заявка WO 02071347, МПК G07D 7/12, дата публикации 12.09.2002), включающее средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Во время возбуждения и послесвечения люминофора проводят серию измерений его излучения. Для исключения влияния фоновой засветки вычитают результаты одного измерения в серии от другого и используют полученное значение для аутентификации люминофора.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, которое включает средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Устройство позволяет исключить влияние постоянной фоновой засветки, но не может компенсировать влияние периодической и случайной засветки. Кроме того, решение не предусматривает компенсации изменений уровней излучения послесвечения, характерных для разных экземпляров одной и той же метки. Различия в уровне излучения вызываются износом и загрязнением метки, а также технологическим разбросом при их производстве. Отсутствие компенсации этого разброса снижает надежность идентификации.
В качестве прототипа выбрано устройство для аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, известное по патенту Российской Федерации №2460140, МПК G07D 7/06, G06K 9/00, дата подачи заявки 18.08.2011.
Устройство идентификации защитной сетки включает средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Средства возбуждения люминофора включают возбуждающий излучатель в виде полупроводникового лазера, излучение которого имеет мощность от 50 до 100 мВт на длине волны около 980 нм. Излучение лазера оптически фокусируется в малое пятно, расположенное в месте, куда помещается защитная метка объекта контроля. Источник питания лазера включается контроллером.
Фотодетектор выполнен на фототранзисторе, на который с помощью оптической системы собирается люминесцентное послесвечение люминофора, излучаемое защитной меткой с точки фокусировки лазерного источника.
Фототранзистор включен в типовую схему измерения заряда, содержащую измерительный конденсатор, управляемый ключ сброса и аналого-цифровой преобразователь. Измерительный конденсатор включен последовательно с фототранзистором так, что заряд на конденсаторе оказывается пропорционален заряду, индуцированному в фототранзисторе излучением послесвечения люминофора (пропорциональный энергии излучения послесвечения люминофора). Ключ сброса подключен параллельно измерительному конденсатору и позволяет обнулить заряд конденсатора перед началом последующего измерения. Напряжение с измерительного конденсатора подается на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя. Результат преобразования в виде цифрового кода передается с аналого-цифрового преобразователя на вход контроллера.
Контроллер вырабатывает сигнал по линии "Strobe", который управляет замыканием ключа сброса и запуском аналого-цифрового преобразователя, реализует последовательность действий устройства и представление результатов аутентификации по соответствующему каналу связи.
Когда измерение энергии послесвечения люминофора не проводится, контроллер постоянно поддерживает на линии "Strobe" высокий логический уровень. Этот логический уровень удерживает ключ сброса в замкнутом состоянии, за счет чего напряжение на измерительном конденсаторе равняется нулю.
Для измерения энергии послесвечения контроллер переводит линию "Strobe" на низкий уровень и удерживает ее в этом состоянии в течение заданного интервала времени, после чего возвращает линию "Strobe" в высокое состояние. В течение указанного интервала времени ключ сброса остается в разомкнутом состоянии, а напряжение на измерительном конденсаторе растет пропорционально заряду, протекающему через фототранзистор с начала интервала измерения энергии послесвечения. После завершения указанного интервала измерения энергии аналого-цифровой преобразователь фиксирует уровень напряжения на измерительном конденсаторе, выполняет его оцифровку и передает соответствующий цифровой код на вход контроллера для проведения анализа. Напряжение на измерительном конденсаторе пропорционально энергии излучения послесвечения, попавшей на фототранзистор в заданный интервал времени. Таким образом, соответствующий цифровой код на входе контроллера будет пропорционален энергии излучения послесвечения люминофора в заданный интервал времени.
Для проведения аутентификации защитной метки ее размещают в точке фокусировки излучения лазерного источника. Процесс аутентификации периодически запускается контроллером. В некоторый момент времени Т1 контроллер включает лазерный источник возбуждающего излучения на заданное время. Люминофор, находящийся в метке, возбуждается и по завершении импульса возбуждения начинает испускать излучение послесвечения. Вслед за этим контроллер проводит серию измерений энергии излучения, испускаемого меткой. В момент Т2 процессор переводит линию Strobe на низкий уровень. Ключ сброса закрывается и напряжение на измерительном конденсаторе начинает расти В момент времени Т3 контроллер переводит линию Strobe на высокий уровень. С этого перепада аналого-цифровой преобразователь начинает измерение напряжения, достигнутого на измерительном конденсаторе за интервал времени Т2-Т3. По завершении преобразования двоичный код, пропорциональный энергии излучения, считывается контроллером. Дальнейшие измерения в серии проводятся аналогичным образом в интервалы Т4-Т5, Т6-Т7 и т.д. Продолжительность этих интервалов, а также промежутки между ними задаются заранее В результате измерений получают значения энергии Е1, Е2 … EN.
Влияние постоянной фоновой засветки компенсируют путем проведения, по меньшей мере, двух серий измерений энергии. Обе серии идентичны по количеству измерений, моменту их проведения и продолжительности интервалов измерений. Основную серию измерений проводят после подачи импульса возбуждения люминофора, как это было описано выше. Дополнительную серию измерений проводят после первой с задержкой, достаточной для полного спада излучения послесвечения люминофора. Результаты первой серии измерений характеризуют энергию излучения послесвечения и энергию фоновой засветки. Результаты второй серии измерений характеризуют только энергию фоновой засветки. Для компенсации влияния фоновой засветки от результатов измерений основной серии отнимают результаты измерений дополнительной серии. Такой принцип эффективен для компенсации постоянной фоновой засветки, поскольку уровень этой засветки не меняется от первой серии измерений к другой.
Для компенсации периодической фоновой засветки моменты начала первой и второй серии измерений задерживают на один или несколько периодов частоты периодической фоновой засветки.
Если же фоновая засветка содержит случайный то для компенсации ее влияния применяют метод накопления. Вместо проведения одной серии измерений последовательно проводят идентичны серии измерений и суммируют их результаты. Например, вместо проведения одной основной серии измерений проводят М серий измерений в тех же самых условиях. В результате получают М наборов результатов измерений. Из них получают суммарные серии с помощью поэлементного суммирования.
Случайная компонента в расчетах суммарной серии вырастает в  раз, в то время как уровень измеряемой величины растет в М раз. Таким образом, влияние случайной фоновой засветки на результат измерения уменьшается в  раз.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, включающее средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, включающую средства измерения сигнала фотодетектора перед возбуждением люминофора и вычитания указанного сигнала от сигнала фотодетектора, измеренного в период послесвечения люминофора, связанные с микропроцессором средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Описанное устройство, как прототип, характеризуется следующими особенностями.
Для возбуждения люминофора используют лазерный источник излучения (полупроводниковый лазер, излучение которого имеет мощность от 50 до 100 мВт на длине волны около 980 нм). Указанные средства возбуждения ограничивают универсальность устройства, например, для аутентификации различных банкнот с различными люминофорами в защитных метках, так как спектры возбуждения различных люминофоров могут существенно отличаться от узкого спектра излучения указанного полупроводникового лазера (длина волны около 980 нм).
Лазерный источник требует системы оптической фокусировки излучения в малое пятно, расположенное в том месте, куда при проверке помещается защитная метка, что усложняет устройство и его использование.
Выполнение фотодетектора в виде фототранзистора, на который с помощью оптической системы собирается излучение послесвечения люминофора в световом диапазоне, также усложняет устройство и его использование. Кроме того, фототранзистор вместе со световым излучением послесвечения люминофора принимает широкий спектр фоновых засветок, что усложняет задачу их последующей компенсации.
Компенсация влияния фоновых засветок путем проведения серий измерений (основной серии - после подачи импульса возбуждения и дополнительной серии - после полного спада излучения послесвечения люминофора) существенно увеличивает продолжительность измерений, что ограничивает возможности использования устройства в высокоскоростных машинах счета банкнот.
Устройство чувствительно к изношенности банкнот (загрязненность и частичное осыпание защитных меток в процессе оборота банкнот), что уменьшает достоверность аутентификации.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования устройства аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, в котором за счет выбора средств возбуждения и регистрации послесвечения люминофора, а также особенностей схемы измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, повышается универсальность устройства при упрощении его конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве идентификации защитной метки, содержащей люминофор, включающем средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, включающую средства измерения сигнала фотодетектора перед возбуждением люминофора и вычитания указанного сигнала от сигнала фотодетектора, измеренного в период послесвечения люминофора, связанные с микропроцессором средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора, согласно полезной модели средства возбуждения люминофора выполнены в виде светодиода инфракрасного излучения, а фотодетектор послесвечения люминофора выполнен в виде фотодиода инфракрасного диапазона
Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели, так как являются необходимыми и достаточными для достижения технического результата -обеспечение универсальности устройства при упрощении его конструкции.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом, что объясняется следующим.
Авторами использована способность люминофоров, применяемых в защитных метках, возбуждаться с последующим послесвечением при воздействии на них инфракрасным излучением в диапазоне 950±55 нм. Выполнение средств возбуждения люминофора защитных меток в виде светодиода инфракрасного излучения позволяет контролировать достоверность широкого круга объектов, например различных банкнот, ценных бумаг и прочего с использованием одного и того же устройства. Инфракрасное излучение мощностью в пределах 100…150 мВт не требует для возбуждения люминофора системы оптической фокусировки, что упрощает устройство и его использование. Действию инфракрасного излучения подвергается значительная часть поверхности контролируемого объекта, что упрощает поиск защитной метки и устраняет проблему расположения защитной метки строго в фокусе сфокусированного возбуждающего излучения. Инфракрасное излучение нечувствительно к незначительным преградам. Например, возбуждение люминофора происходит через лист бумаги, расположенный между источником излучения и защитной меткой. Это позволяет возбуждать люминофор путем облучения защитной метки с защитным покрытием или с противоположной (обратной) стороны банкноты. Использование светодиода инфракрасного излучения является безопасным для зрения пользователя. То есть, простыми техническими средствами расширяются возможности использования устройства (его универсальность) при упрощении конструкции устройства.
Авторами также использована особенность волнового спектра послесвечения люминофоров - спектр послесвечения большинства люминофоров, применяемых в защитных метках, характеризуется наличием инфракрасного излучения в диапазоне 950±55 нм. Характеристики инфракрасного излучения в спектрах послесвечения люминофоров могут быть критериями для аутентификации защитной метки. Характеристики указанного излучения мало зависят от загрязненности банкноты и осыпания защитной метки в процессе оборота банкноты, что повышает достоверность аутентификации частично изношенных банкнот. Использование фотодиода инфракрасного диапазона в качестве фотодетектора послесвечения люминофора позволяет выделить и принять для дальнейшего анализа только инфракрасный диапазон излучения послесвечения, отсекая другие диапазоны излучения. При этом отсекаются фоновые засветки светового и ультрафиолетового диапазонов, что уменьшает их влияние на результаты измерений и облегчает задачу компенсации фоновых засветок. Для улавливания излучения послесвечения не нужны оптические системы сбора излучения послесвечения люминофора, что существенно упрощает конструкцию устройства. Важным также является нечувствительность инфракрасного диапазона излучения послесвечения к незначительным преградам, что позволяет принимать излучение с противоположной (обратной) стороны банкноты. Указанное также расширяет возможности использования устройства, обеспечивает универсальность устройства при упрощении конструкции.
Авторами разработана схема измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, включающая средства измерения сигнала фотодетектора перед возбуждением люминофора и вычитания указанного сигнала от сигнала фотодетектора, измеренного в период послесвечения люминофора. Принцип измерений, на котором основана схема, позволяет существенно уменьшить продолжительность измерений (продолжительность аутентификации). Продолжительность измерений определяется длительностью периода возбуждения люминофора (50…70 микросекунд), длительностью паузы между периодом возбуждения люминофора и началом измерения сигнала послесвечения люминофора (150…200 микросекунд), длительностью периода измерения послесвечения люминофора (200…230 микросекунд) продолжительностью возврата в исходное состояние (80…100 микросекунд). То есть продолжительность измерений не превышает 600 микросекунд, что достаточно для аутентификации быстро движущихся объектов, например, в высокоскоростных машинах счета банкнот. Это также расширяет возможности использования устройства (универсальность устройства) простыми техническими средствами.
Не менее важным является уменьшение себестоимости заявляемого устройства в сравнении с прототипом.
Все вышеизложенное обеспечивает универсальность устройства при упрощении его конструкции.
Целесообразно средства измерения сигнала фотодетектора перед возбуждением люминофора и вычитания указанного сигнала от сигнала фотодетектора, измеренного в период послесвечения люминофора, схемы измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки выполнить в виде двух последовательно соединенных инвертирующих усилителей, неинвертирующего усилителя, интегратора с измерительным конденсатором и аналогового ключа, при этом вход первого инвертирующего усилителя соединить с фотодиодом, выход второго инвертирующего усилителя соединить с входом неинвертирующего усилителя и через аналоговый ключ с входом интегратора, выход которого через линию обратной связи соединить с входом первого инвертирующего усилителя, выход неинвертирующего усилителя соединить с входом аналого-цифрового преобразователя микропроцессора, управляющий вход аналогового ключа соединить с выходом микропроцессора
Ниже приводится описание заявляемого устройства аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг. 1 - Устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, принципиальная схема.
Фиг. 2 - устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, временная диаграмма сигналов в узловых точках устройства.
Фиг. 3 - устройство аутентификации защитной метки, содержащей люминофор, временная зависимость интенсивности излучения защитной метки.
Устройство включает средства возбуждения люминофора электромагнитным излучением, фотодетектор послесвечения люминофора, схему измерения сигнала фотодетектора и компенсации фоновой засветки, средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора.
Средства возбуждения люминофора в защитной метке выполнены в виде светодиода 1 инфракрасного излучения с управляемым источником питания 2. Светодиод 1 типа SFH409-2, излучение которого имеет мощность 165 мВт на длине волны 950±55 нм и угол излучения 40 градусов.
В качестве фотодетектора послесвечения люминофора использован фотодиод 3 инфракрасного диапазона, например BPV10NF с углом чувствительности 40 градусов в диапазоне 790…1050 нм.
Средства управления работой устройства и анализа характеристик послесвечения люминофора представлены микропроцессором 4.
Схема измерения сигнала фотодетектора (фотодиода 3) и компенсации фоновой засветки включает инвертирующие усилители 5, 6, неинвертирующий усилитель 7, интегратор 8 с измерительным конденсатором 9 и аналоговый ключ 10.
Фотодиод 3 подключен к входу инвертирующего усилителя 5, инвертирующие усилители 5, 6 соединены последовательно. Выход инвертирующего усилителя 6 соединен с входом неинвертирующего усилителя 7 и через аналоговый ключ 10 со входом интегратора 8. Выход интегратора 8 с измерительным конденсатором 9 соединен с входом инвертирующего усилителя 5 через линию обратной связи 11.
Выход инвертирующего усилителя 7 соединен с входом "А/D" аналого-цифрового преобразователя процессора 4.
Управляющий вход аналогового ключа 10 соединен с выходом "KEY" микропроцессора 4.
Управляемый источник питания 2 подключен к выходу "LED" микропроцессора 4.
Работает устройство следующим образом.
В исходном состоянии (момент времени Т1) светодиод 1 инфракрасного излучения выключен (выключен источник питания 2 командой с выхода "LED" микропроцессора 4). Аналоговый ключ 10 замкнут соответствующим сигналом с выхода "KEY" микропроцессора 4. Фотодиод 3 принимает излучения фоновой засветки. Сигнал фотодиода 3 (сигнал фоновой засветки) через инвертирующие усилители 5, 6 и замкнутый аналоговый ключ 10 подается на интегратор 8. Измерительный конденсатор 9 интегратора 8 заряжается.
Так как напряжение на выходе интегратора 8 вычитается из сигнала фотодиода 3 (сигнала фоновой засветки) на входе инвертирующего усилителя 5 за счет линии обратной связи 11, то процесс заряда измерительного конденсатора 9 будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на входе интегратора 8 (на выходе инвертирующего усилителя 6) не станет равным нулю. Сигнал инвертирующего усилителя 6 через неинвертирующий усилитель 7 подается на вход "А / D" аналого-цифрового преобразователя процессора 4 и в начальном состоянии будет равняться нулю.
В момент времени Т1 аналоговый ключ 10 размыкают соответствующей командой, которая поступает от выхода "KEY" микропроцессора 4. При этом сигнал на выходе интегратора 8 будет оставаться неизменным до дальнейшего замыкания аналогового ключа 10 и соответствовать уровню фоновой засветки. Включают источник питания 2 инфракрасного светодиода 1 и выключают его в момент времени Т2. Период Т1-Т2 составляет около 70 микросекунд. Моменты включения Т1 и отключения Т2 светодиода 1 задают соответствующими командами выхода "LED" микропроцессора 4. В этот период происходит облучение защитной метки инфракрасным излучением светодиода 1 и возбуждения люминофора в защитной метке. Далее, в момент времени Т3 (через около 200 микросекунд после выключения светодиода 1) в течение следующих около 200 микросекунд до момента времени Т4 выполняют измерения сигнала послесвечения люминофора. При этом вход интегратора 8 не соединен с выходом инвертирующего усилителя 6. Сигнал фотодиода 3 усиливается инвертирующим усилителем 6 и через неинвертирующий усилитель 7 подается на вход "A/D" аналого-цифрового преобразователя процессора 4. Далее, аналоговый ключ 10 замыкается и устройство возвращается в исходное состояние.
Указанная схема измерения сигнала фотодетектора (фотодиода 3) и компенсации фоновой засветки позволяет получить однополярный выходной сигнал без постоянной составляющей, который может быть усилен до нужного уровня операционным усилителем 7 для подачи на вход "A/D" аналого-цифрового преобразователя процессора 4.
Результаты измерений анализируются по известным методикам микропроцессором 4. Делается заключение по подлинности защитной метки.