CN100573546C

CN100573546C - 用于鉴别文件和物品的方法和装置

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Publication number: CN100573546C
Application number: CNB2004800115692A
Authority: CN
Inventors: M·瓦西克; E·米勒
Original assignee: SICPA Holding SA
Current assignee: Xiibaidian Ltd By Share Ltd; SICPA Holding SA
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2024-04-05
Also published as: EP1473657A1; EA200501685A1; WO2004097716A1; UA87455C2; DK1618514T3; KR20060105427A; CN1781109A; JP4515448B2; ZA200508747B; MXPA05011540A; HK1090150A1; CA2522940C; US7478757B2; EA008454B1; BRPI0409915A; US20060204145A1; EP1618514A1; EP1618514B1; JP2006524849A; MY141567A

Abstract

本发明公开了一种用于鉴别携带显示与视角相关的光反射谱的标记(M)的文件、贵重物品或包装的方法和装置。该鉴别方法是基于至少在两个不同的视角处响应于利用不同光谱特性的光的顺序广角照射而由该标记反射的光强度的测量，以及所测得的强度值与相应参考值的比较。该鉴别装置(1)具有至少两个不同光谱特性的光源(4)、广角照明光学器件(3)、以及在至少两个不同视角处聚集由所述标记反射的光的至少两个光电探测器(5)。它还可具有程控“学习模式”和程控“检验模式”，所述“学习模式”用于测量和存储参考物品的一组反射强度值，所述“检验模式”用于测量待鉴别的物品的一组相应强度值，并将该组值与先前存储的一组参考值进行比较，从而导出并指示检验结果。

Description

用于鉴别文件和物品的方法和装置

本发明涉及一种用于确定携带显示与视角相关的光反射谱的标记的保密文件、贵重物品或包装的真实性的方法及相应的装置。

发明背景

保密文件和贵重物品是用显示特殊物理或化学特性(安全特征)的材料来标记的，该材料用于通过检测所述特性的存在来鉴别有标记的物品。

标记保密文件或贵重物品的一种常见方法包括将一种或多种标记材料混入印刷油墨或涂料组分中，随后将该印刷油墨或涂料组分涂在所述文件或物品上，如有必要则以戳记的形式。标记物品的可选的方法包括将一种或多种标记材料混入大块物品(塑料、纸张、液体等)中。

用作安全特征的物理特性包括在紫外(UV)、可见和红外(IR)波长范围中明显的选择性的光谱的光吸收，以及即时的和延迟的UV、可见和IR光，例如在US 3,473,027、US 3,412,245、US 3,582,623、US 3,663,813、US 3,650,400、US 3,566,120、US 3,455,577和US4,202,491中所公开的那样。允许无接触检测例如通过光学装置分别读出标记的安全特征一直被认为是一种优选的选择。

显示与视角相关的光反射谱的标记(“光学可变装置”，OVD)被用作一种在银行钞票和保密文件上有效的防拷贝的方法。在OVD中，光学可变油墨(OVI

；EP 227,423 B1)由于它们早在1987年就第一次在货币上采用而占有重要地位。这种油墨是基于光学可变颜料(OVP)配制的，一种优选类型的OVP为在US 4,705,300、US4,705,356、US 4,721,217、US 4,779,898、US 4,930,866、US5,084,351中以及相关公开中描述的层状薄膜光干涉装置。其它有用类型的OVP包括在US 5,624,486和US 5,607,504中描述的多层涂敷的颗粒。

另外，有用类型的光学可变颜料是通过胆甾型(即手征向列型)液晶材料的薄膜的光聚作用并继之以将该高分子膜研磨成颜料获得的，例如在US 5,807,497和US 5,824,733中描述的那样。所述液晶基(LC-)颜料具有根据其内部手征性而选择性地反射右旋或左旋圆偏振光的附加特性，如在EP 899,199 B1中所公开的那样。由于LC-颜料可由右或左旋手征性之一制成，所以来自LC-颜料的反射光的圆偏振检测可用于将额外的、隐藏的安全特征赋予文件或物品。

另一种类型的光学可变装置能够基于衍射光栅实现，例如以施加在文件或物品上的镀金属聚合物薄片上的压印全息图或者类似装置的形式。所述压印聚合物薄片也可被研磨成颜料并在涂料组分中用作“闪光”。在另外一种效率稍低的方法中，衍射光栅被压印为预成型的(performed)、颜料大小的金属(铝)薄片。在所有这些实施例中，所需衍射光栅结构具有可与相应于每毫米2000或更多条线的衍射光波长(即典型的约300-500纳米)相比的线间隔。

光学可变颜料、油墨和印刷特征、以及光学衍射装置，可通过在至少两个不同视角评估它们的光谱反射特性来识别。通常在实验室中借助于测角分光计(例如，如由Zeiss所制的)获得上述信息，如R.Maisch和M.Weigand在“Perlglanzpigmente”，第二版，DieBibliothek der Technik，Vol 56，Verlag Moderne Industrie AG，Landsberg/Lech，1992中以及在其中所引用参考文献中所描述的。值得注意的是，测角分光计允许在照射角度和光谱分析角度的任意组合下研究样品。

在优选工艺中，通过避免使用分光计并采用在US 4,204,765中所公开的顺序有色LED照射技术来保持低的探测器成本。该文件描述了一种用于检验例如其上印有有色区域的纸张的有色的安全措施的装置。分别发射不同波长范围的光的多个发光二极管(LED)顺序照射在所述纸张上的或多或少反射入射光的确定区域。单个光电探测器接收由该纸张反射的光，并传递相应于所接收的光强度的电信号。通过对各种LED所测得的信号与预定参考值的比较，得出所述纸张真实性的指示。

尽管在US 4,204,765中所公开的技术非常适于低成本装置，但是由于其单一观测角度的设计而不适于光学可变安全特征的检验。

在WO 01/54077中公开了一种用于自动检验在重要文件、银行钞票等上的光学可变特征的系统。根据该公开，至少以第一和第二光束来照射光学可变特征，并且从至少第一和第二观测角度分析由该光学可变特征反射的光。但是，WO 01/54077中公开的自动检验技术存在很多缺点，特别是阻碍了在低成本的自动读出装置中的实际实施。

WO 01/54077的技术的第一个缺点与测量几何学相关。所公开的装置利用定向光束以预定入射角照射光学可变特征，并光谱分析由该受到照射的特征以与所述入射角相关的预定反射角所反射的光。对于光学可变油墨，入射和反射光束基本遵守反射定律，即入射和反射角基本上相对相等。对于基于全息衍射光栅的光学可变装置，情况并非如此，其中入射和反射角通常互不相同。通过将入射和反射角两者都固定在硬件装置中，WO 01/54077的系统因此仅可用于设想到的完全确定类型的OVD的鉴别。

WO 01/54077的技术的第二个缺点是所使用元件的价格昂贵的特性。显然，需要两个或更多个分光计来分析在两个或更多个不同的反射角处聚集的光。包含分光计的鉴别装置的成本可能阻止其在低成本产品的自动售货机中的使用。

WO 01/54077的技术的第三个主要缺点在于其缺乏小型化能力。显然，在接近切线入射处的光谱反射数据的分析可能导致测量装置的物理扩展。这一点对于在必须服从严格的空间限制的自动售货机中的应用是一个相当高的约束条件。

发明概要

本发明公开了一种用于鉴别在文件或物品上、特别是在商业物品包装上的光学可变特征的方法和相应装置，其克服了现有技术的缺点。考虑到其小型化能力和其降低的成本，所公开的装置特别适于在自动售货机、自动读出器和手持检验装置中的应用。此外，其目的在于，使用同一个硬件装置，能够广泛用于任何类型的OVD的鉴别。

用于确定携带显示与视角相关的光反射谱的标记的诸如保密文件、贵重物品或包装之类的物品的真实性的装置因此包括：

-至少两个具有不同光谱特性的光源，用于提供对所述标记的照射；

-广角照明光学器件，用于引导所述光源的光至所述标记；

-至少两个具有可选聚光元件的光电探测器，用于至少在两个预定的不同观测角度处聚集由所述标记反射的光，并传递对应于所聚集的光强度的电信号；

-模拟-数字转换装置、处理装置、控制装置和存储装置，适于根据预定算法并利用预先建立的判定标准来控制光源、数字化并存储反射的强度值、将所述强度值与先前存储的相应参考值相比较、并从比较结果导出真实性指示。

该装置的特征在于，它包括用于将所述光源的光引导至所述标记的广角照明光学器件。优选地，该广角照明光学器件能够以从垂直至掠射角范围内的多个入射角同时照射该标记。

根据本发明，借助相对较简单且低成本的广角照明光学器件来照明光学可变装置(OVD)，即受到检验的标记。所述广角照明光学器件具有不同的照度(illumination)，即来自多个光谱不同的光源的光，例如顺序开和关的LED射出的光。因而该OVD以所有的入射角(即从基本上垂直至基本上掠入射)同时接收顺序改变颜色的光。

因此，所有角度的颜色鉴别专门在探测链中进行，其中在两个或更多个不同的预定角度处聚集从OVD反射的光，且其强度由光电探测器转换为相应的电信号。这种处理方式具有这样的优点：可以使用本发明的装置而不改变所有类型的OVD的鉴别，所述OVD是“光学可变油墨”或“衍射光栅”型。

本发明的广角照明光学器件可从各种类型的装置中选择，所述装置允许在所有入射角处，以一个或多个确定的“点”光源的光同时漫射地照射一部分表面。广角照明光学器件是本领域公知的且在市场上可买到，例如以漫射板、漫射照明球、非成像光学元件等的形式。在本发明的上下文中优选的广角照明光学器件为复合抛物面聚光器(CPC，也称为“光接收角变换器”)，例如由R.Winston等人在“Selected Papers on Nonimaging Optics”SPIE publication MS106，1995中所述的那样。

复合抛物面聚光器(CPC)的特征为由两个抛物面部件(P1，P2；图1c)界定的纵截面，这两个抛物面部件具有平行的轴并被设置为使所述抛物面部件的焦点(f1，f2)都位于相应的另一个抛物面部件上。CPC能够以2维平板的形式或者以3维圆锥(旋转体)的形式制成。它还可以被制成内部反射的中空体或者固体介电体，后者在其部分外表面上还可具有反射涂层或者反射镜。

CPC具有第一孔径区(A1)和第二孔径区(A2)，以及用于入射或出射光的第一和第二受光角，由此所述第一孔径区宽并具有窄的受光角，以及所述第二孔径区域窄并具有宽的受光角。在其受光角范围内射入CPC的第一孔径区的光从CPC的第二孔径区在其受光角范围内射出，以及反之亦然。

此外，入射至CPC的光是不规则的，因此，位于CPC的所述第一孔径区前面任意位置处的单一光源将以包含在其受光角范围内的所有角度来照明CPC的整个第二孔径区。因而CPC以及更常见的任何其它合适的非成像光学装置能够有利地用于将位于其第一、较大孔径区前面的多个LED的发射转换为位于其第二、较小孔径区前面的样品的半球状漫射照明。

根据本发明，CPC或其它非成像光学部件优选地由例如丙烯酸玻璃(PMMA)或类似光学聚合物的固体介电材料制成。这具有使整个装置坚固，同时促进其机械装配的优点。照明装置的光源被装配在CPC的较大孔径区的前面，例如在其体中设有的孔中。所述光源优选为广角出射型。

至少需要两个不同光谱的光源，优选为发光二极管(LED)。在本发明的优选实施例中，该装置包括多个LED，即四个至十二个不同发射波长的LED。这些LED优选在UV(300nm)至远NIR(2500nm)，更优选地在UV(300nm)至近NIR(1100nm)的范围内发光。可选地，所述发光二极管(LED)可具有切除部分其初始发射光谱以便获得更特定的发射谱分布的滤光器。由此所述滤光器可为带通(包括多带通)、高通或低通型。

但是，也可使用不同于LED的光源，例如配有所需滤光器的白炽光源。激光二极管在需要特别窄的光谱照射分布的情况下可用作光源的选择。根据本发明，激光二极管的输出没有由光学部件准直以形成激光束，而是以发散模式使用，并进一步由照明装置漫射。该装置也可包括以低于200nm波长的UV或高于2500nm波长的IR发射的光源。

根据本发明，相对于标记的平面的法线，在近垂直角(优选在0°与45°之间，更优选在0°与35°之间)和近掠射角(优选在45°与90°之间，更优选在50°与80°之间)处，通过使用至少两条用于聚集来自光学可变特征的反射光的光纤解决了小型化的任务。显然，这些光纤可弯曲，并允许降低用于在掠射角探测的所需装置的物理尺寸。

通过固态介电非成像光学照明部件与至少两条固态地嵌入其体内的光聚集光纤的组合，最有效地解决了小型化的任务。在这样一个组件中的聚集角度由照明装置的机械装置保持固定，从而产生一种非常坚固的设计。所述至少两条光聚集光纤以预定的视角并在各自光纤端部的光学孔径锥形范围内聚集来自样品的光，并将该光引导至位于CPC的较大孔径区的前部，例如在其体中设有的孔中的相应光电探测器。

所述光电探测器优选地为光电二极管。为了降低电子测量噪声，更优选地是构造为包括光电二极管和随后的信号放大器以及滤光器(可选)的集成光电探测器单元的光电探测器。该信号放大器可为互阻抗型。该滤光器可为带通(包括多带通)、高通或低通型。相应的光电探测器和光电探测器单元对普通技术人员来说是已知的，并且可从一些生产商，例如从日本的Hamamatsu处购得。

显然，硅光电二极管可用在从UV至近NIR的波长范围(200nm至1100nm)。锗和InGaAs光电二极管可用在远NIR波长范围(分别为900nm至1700nm或2500nm)。GaAsP光电二极管适于UV和可见光波长范围(200nm至700nm)。GaN、SiC和GaP光电二极管可最终用于UV波长范围(低于400nm)。

在特定实施例中，所述光电探测器包括传送所反射并聚集的光的左旋或右旋部分的圆偏振滤光器。在基于胆甾型液晶(CLC)材料的OVD的情况下，特别感兴趣的是圆偏振的鉴别，其可制成例如使其仅反射两种圆偏振光中的一种，或两种圆偏振光都反射。相应的鉴别装置可制成包括四个光电探测器，即对于近垂直和近掠射观测角的每一个，各有一个左旋偏振敏感的和右旋偏振敏感的光电探测器。由此圆偏振器可插在从所述反射标记经由所述聚集和引导光学器件引导至所述光电探测器的光程中的任意位置处。

所述用于鉴别文件和物品的装置还包括处理器(例如由包括微控制器IC的电子电路实现)，该处理器包括模拟-数字转换装置(用于从光电探测器的初始输出信号中导出数字的、可存储的值)、存储装置(用于存储程序、参考值和测量数据)、驱动装置(用于打开和关闭外部负载)、控制装置(用于接受用户输入)和指示装置(用于显示输出给用户)，以及必要的电源(例如电池)。所述处理器能够使照明装置的各个LED打开或关闭，能够读出、数字化并存储光电探测器的输出信号，能够接受来自用户(例如，来自两个或更多个手动按钮)的输入并显示输出(例如，至“合格”和“不合格”指示器LED)。根据内部存储的程序，所述处理器能够执行完整的测量/鉴别过程，包括对结果的最终指示。对微控制器应用领域的熟练技术人员而言，这种实施技术是已知的。

显然，所述内部存储的程序可设置为使该装置支持用于测量在参考物品上反射的强度值并将这些值永久地存储在内部存储器中的“学习模式”，以及用于确定受到检验的物品的真实性的“检验模式”，通过测量其反射强度值并将这些值与所述先前测量并存储的参考值相比较，由此推得并指示结果。两种模式中的每一种都可由相应的控制开关启动。

用于鉴别物品的装置可附加地包括另外的控制装置(例如用于更复杂的用户输入的键盘)、另外的指示装置(例如文字数字式的显示面板、蜂鸣器)、以供电和传送数据为目的的电和/或光的连接器、通信装置(例如IR和/或无线电链路)、以及使能够独立工作的内部电源(例如电池或蓄电池)。

手动控制装置可用于电源的启动或停止，用于参考采集过程或检验过程的启动，用于优选参考值的选择等等。指示装置可用于指示该装置的状态以及所进行的测量过程的结果。连接器允许在该装置和外部单元之间传递数据，并连接该装置与外部电源。通信装置能够在该装置和外部单元之间无线传输数据(即为了维护)。

在本发明的范围中，还可装备用于光学可变特性与附加光学安全特性的组合评估的鉴别装置。利用该处理装置的不同程序，同样的装置可以用作测量和评估那些附加的光学特性，这些附加的光学特性可为在光谱的UV、可见或IR范围内的即时的或延迟的光致发光辐射，并可包括延迟的发光辐射的与时间相关的上升和衰减特性的测量。这对于例如在WO 01/60924中所公开的发光光学可变装置的鉴别特别有用。

在另一个变形中，该装置可被设置为将上述公开的光学传感器部件与磁传感器部件结合。这对于例如在WO 02/073250中所公开的磁性光学可变装置的鉴别特别有用。

在本发明所公开的范围内，紫外光辐射(UV)应该被理解为具有200nm与400nm之间的波长，可见光辐射具有400nm与700nm之间的波长，近的近红外光辐射具有700nm与1100nm之间的波长以及远的近红外光辐射具有1100nm与2500nm之间的波长。红外光(IR)装置辐射的波长超过700nm。

规定即时的发光辐射或荧光具有小于1微秒的特征发光强度衰减时间。规定延迟的发光辐射或磷光具有大于1微秒的特征发光强度衰减时间。

相对于光学可变特征的平面的法线，即相对于在观测点处垂直于该光学可变特征的切面的线来表示入射角。基本上垂直入射意味着入射角偏离该特征的法线不超过10°。基本上掠入射意味着入射角偏离该特征的平面不超过10°。

本发明还包括一种用于确定诸如保密文件、贵重物品或包装之类的物品的真实性的方法，该物品携带显示与视角相关的光反射谱的标记，该方法包括下列步骤：

a)以具有第一光谱特性的至少第一光源照射所述标记；

b)至少在相对于该标记的平面的两个预定的不同观测角处聚集由所述标记反射的光，并测量其各自的强度；

c)可选地，将步骤b)所测得的强度值存储在永久数字存储器中；

d)以具有第二光谱特性的至少第二光源照射所述标记；

e)至少在相对于该标记的平面的两个预定的不同观测角处聚集由所述标记反射的光，并测量其各自的强度；

f)可选地，将步骤e)所测得的强度值存储在永久数字存储器中；以及

g)根据预定算法，将步骤b)和e)的所述测得的强度值与先前存储的相应参考值相比较，并利用预先设定的判定标准从比较结果中得出真实性指示；

该方法的特征尤其在于，步骤a)和d)中的照射为广角照射。优选地，步骤a)和d)相对于彼此顺序进行。

强度测量根据给定测量过程进行，并可包括下列步骤，例如初始信号的后处理以便获得代表性数字值，这些值和它们对例如仪器特性、背景强度等的系统测量误差的校正的中间存储。

特别是，初始测得的反射强度值可由光密度D＝log₁₀(I_w/I)表示；其中I_w为在基准白色背景处反射的光强度，以及I为在标记处反射的光强度。光密度值D具有与印刷吸收器(absorber)的浓度成正比的特性。

本发明的方法固有地涉及用于鉴别光学可变特征的所指示的需求以及所公开的装置。在从基本上垂直(0°)到基本上掠(90°)入射范围的所有入射角度下同时提供对该光学可变标记的照射。通过使用例如非成像光学部件，优选为复合抛物面聚光器(CPC)的广角照明光学器件达到这一点。

该方法的特征还在于，从至少两个预定观测角度聚集反射光，即第一角度为近垂直角(优选在0°与45°之间，更优选在0°与35°之间)和第二角度为近掠射角(优选在45°与90°之间，更优选在50°与80°之间)。还优选地由光纤聚集所述反射光，该光纤将所述反射光引导至相应的光电探测器。

所述照度，即具有不同光谱特性的光的性能可由发光二极管(LED)、激光二极管(LD)或其它光源发出的辐射来实现。在本发明中也可使用由适当的滤光器制约的光。在本发明中不必使用光谱上窄带的光；唯一的要求是：不同顺序施加的照度(即光性能)必须具有在所使用的光电探测器的敏感范围之内基本上不同的光谱，以使得能够在适当地带有颜色的标记上探测到可测量的效果。

在本发明中还可能将光学可变特性的鉴别和附加光学安全部件的测量及评估结合。利用不同的程序设计，同样的方法可以包括光学特性的测量和评估，这些光学特性比如是在光谱的UV、可见或IR范围内的即时的或延迟的光致发光辐射，并可包括延迟的发光辐射的与时间相关的上升和衰减特性的测量。这对于例如在WO 01/60924中所公开的发光光学可变装置的鉴别特别有用。

在另一个变形中，该方法将上述公开的光学可变特征的鉴别与磁性安全部件的附加鉴别相结合。这对于例如在WO 02/073250中所公开的磁性光学可变装置的鉴别特别有用。

在又一个变形中，本发明的方法能够鉴别由所述标记反射的右旋和左旋圆偏振光。

在又一个变形中，本发明的方法通过利用同一个物理测量和鉴别装置能够定义并存储对于鉴别受到检验的光学可变特征所需的参考值。

值得注意的是，现有技术的鉴别方法和装置的另一个严重的缺点由其整体仪器特性(在同一类型的不同装置之间的制造公差)的散布(spread)而产生。由于该装置的单个电和光的元件，特别是LED、光电二极管和模拟电子器件的特性散布，所以整体特性的所述散布是不可避免的。该散布的结果为同一类型的不同鉴别装置以稍微不同的方式获得同样的安全特征。克服现有技术中的所述公差问题需要每个单个的装置的大范围的最后校准，以使其达到规范。

根据本发明，通过以该装置中包含的相应编程算法的形式实施“学习模式”和“检验模式”，该缺点得到克服。

值得注意的是，所述“学习模式”被实现为一种参考采集过程，其中，在至少两个预定的不同观测角度并以至少两种不同的照明性能测量参考物品的反射光强度，并且相应的结果以数字值存储在鉴别装置的内部永久存储电路中。

可选地，所述参考采集过程还可用作统计平均值(预期值)和验收派生指令(acceptance fork)(标准偏差)的自动测定。为达到该目的，真实样品的测定数目被“显示”给该装置，该装置测量这些样品并计算然后可用作接收/拒绝标准的所述统计值。

所述“检验模式”被实现为一种检验过程，其中，在至少两个预定的不同观测角度并以至少两种不同的照明性能测量要鉴别的物品的反射光强度，并利用预定的比较算法将相应的结果与先前存储的参考物品的相应值相比较，并得出检验结果。

如果根据预定的判定准则两组值相匹配，则可以产生显示样品的真实性或通过该检验的第一输出信号；否则，可以产生显示样品的不真实性或检验不合格的第二输出信号。

值得注意的是，在相同方法中的“学习模式”和“检验模式”的提供使该鉴别装置具有灵活和多方面的应用，其不必对每种不同的应用进行硬件重新编程，也不必包含参考数据的扩展程序库。以尽可能最简单的方式，仅通过向其“显示”一个或多个真实样品就能够进行该装置的重新编程。

如果检测同一类型的文件或物品，则在参考采集之后可以是大量的检验操作。在制造者希望在服务区处确定参考值以使参考物品(“原始物品”)不需要提供给他的检验人员的情况下，在本文中，独立于检验操作来进行参考采集的可能性也可能有用。

应当明白的是，实现所述方法的鉴别装置可生产成大量不同的“改进的产品(flavor)”，即不同系列的鉴别装置硬件可根据其光发射和光接收元件以及其程序设计(实施的算法)而不同地配备，以便适应不同的客户需求和应用。

所公开的方法和相应的装置优于现有技术的优点显著的是：

(i)一种相同类型的装置可用于大量不同的应用(多用途技术)；

(ii)根据所述测量，利用大幅度消除了仪器影响和因此相应的性能散布的完全相同的硬件测量检验和参考特性(安全技术)；

(iii)对安全标记的成分和特性没有作出额外的公开；进行检验唯一的要求是拥有经鉴定的原始标记(保密技术)。

现在借助附图和示例性实施例进一步说明本发明。

图1a示出一种鉴别装置的示例性实施例的示意性的物理布局；

图1b示出图1a的装置的探头的放大的示意图；

图1c示意性地示出复合抛物面聚光器(CPC)装置的工作原理；

图2示出一种装置的示例性实施例的示意性电子电路图；

图3a示出在不同的参考物品上进行的参考采集步骤的流程图；

图3b示出在不同的参考物品上进行的参考采集步骤以及将所测得的数据存储在一个鉴别装置的存储器中的流程图；

图4a示出鉴别过程的流程图；以及

图4b示出利用先前获得并存储的参考值的鉴别过程的流程图。

示例性实施例

根据图1a和图2的一种手持的、电池供电的鉴别装置被构造，该鉴别装置用于在物品I上包括的光学可变标记M与相应参考标记的电子辅助的比较(鉴别)。

鉴别装置1(在图1a、1b中)被包含在笔状外壳2之内，并具有施加在待检测的标记M的顶部的感应头3。所述前端3是由丙烯酸玻璃(PMMA)制成的平面复合抛物面聚光器(CPC)。所述CP C通过多个光谱不同的光源4’、4”、......中的每一个、在从基本上垂直入射至基本上掠入射的所有入射角下、提供标记M的广角照射。设置在相对于标记平面的法线为0°(相应于接近垂直观测)和60°(相应于接近掠射观测)角处的两个光波导O’、O”，聚集从该标记反射的光并将其引导至两个光电探测器5’、5”。

参考图1b，复合抛物面聚光器(CPC)被设计为产生180°的光束的出射角的发散度，由此确保在所有入射角度下该光学可变标记M的均匀广角照射，而不考虑在其相对端的光源(LED)的位置。CPC 3属于2维平板类型并包括两个形状相同的丙烯酸玻璃板31、32，用丙烯酸胶将这两块板的内表面粘合在一起。在这两块板内表面上所刻的凹槽用来容纳两条光纤O’、O”，这两条光纤用于分别聚集在近垂直(0°)和近掠射(90°)角处的来自标记表面的反射光，并将其引导至光电探测器5’、5”。CPC 3还在其没有涉及传输光的外表面处具有反射金属涂层。

如图1c所示，在一个变形中，优选由铝制成、具有抛光内表面P1和P2的中空CPC 3’可用于取代PMMA-CPC 3。由光源(未示出)提供的光(如箭头所示)通过孔径A1射入CPC 3’，并通过孔径A2射出。可选地，可使用圆锥形(旋转体)CPC，或者以还可具有反射涂层或反射镜外表面的固体PMMA介电圆锥的形式，或者以具有优选的抛光内表面的中空CPC的形式。

光源4’、4”......优选是从市场上可买到的LED中选择的，所述LED具有从UV(300nm)直至中IR(5000nm及以上)范围的发射波长。它们优选为广角发射LED。

在一个优选实施例中，选择波长范围在350nm与2500nm之间，以及更优选地在350nm与1100nm之间的8个LED为例如下列组的LED，其可从奥地利维也纳的Roithner Lasertechnik获得：

范围类型波长；

UV： 380D30 380nm，20mA，30°，5mm 塑料

蓝： HUBL-510L 468nm，20mA，15°，5mm 塑料

绿： B5-433-B525 525nm，20mA，15°，5mm 塑料

黄： OPE5T59UY 590nm，20mA，15°，5mm 塑料

红： HURD-5101L 660nm，20mA，18°，5mm 塑料

IR1： ELD-740-524 740nm，100mA，20°，5mm 塑料

IR2： OPE5T85 840nm，100mA，15°，5mm 塑料

IR3： ELD-950-525 950nm，100mA，20°，5mm 塑料

选择这些波长以便以几乎等间隔的方式覆盖350nm至1100nm区域，并与下文所公开的装置的实施例相一致。

对于特定应用，可如下选择LED以便在例如700与1100nm之间的IR区域的特定波长范围中包括更多LED(LED来自与上面相同的来源)：

范围类型波长

UV： 380D30 380nm

IR1： ELD-740-524 740nm

IR2： ELD-780-514 780nm

IR3： ELD-840-515 840nm

IR4： ELD-880-525 880nm

IR5： IR383 940nm

IR6： LED-970-06 970nm

IR7： LED-1050-03 1050nm

本实施例特别适于检测在700nm至1100nm范围连同可由长波(360至400nm)UV光激发的红外光发射的多种不可见红外特征(“红外颜色”)。

本实施例还可包括在远红外(1100至2500nm)发射的LED的选择，例如(相同来源)：

类型波长；

LED-1300-03 1300nm；1.0mW @ 50mA；30°，5mm 塑料

LED-1450-03 1450nm；1.0mW @ 50mA；30°，5mm 塑料

LED-1550-03 1550nm；1.0mW @ 50mA；30°，5mm 塑料

LED17 1700nm；1.0mW @ 80mA；

LED19 1900nm；1.0mW @ 80mA；

LED20 2000nm；1.0mW @ 80mA；

LED21 2100nm；1.0mW @ 80mA；

LED23 2300nm；0.75mW@ 80mA；

根据本发明的装置包括至少两个光电探测器。在优选实施例中，所述光电探测器对于在200nm与2500nm之间波长范围中所含的光敏感，但也能够使用对在该范围之上或之下的波长敏感的探测器。光电探测器还可为任何固态或其它类型，即光电二极管、雪崩二极管、光电晶体管、光敏电阻、电荷耦合器件、光电倍增器、测辐射热计、热电堆或热电检测器等等，且其可具有宽带或窄带光谱灵敏度。

在优选实施例中，为了将在有用电压范围中所含的信号传输至随后的模拟-数字转换电路，光电探测器是连接至电流-电压(互阻抗)型放大器的光电二极管。在大多数优选实施例中使用PN或PIN型的硅光电二极管；它们在200nm至1100nm波长范围是固有地敏感的。除了其它来源之外，这种类型的装置可从Hamamatsu Photonics获得，例如：

S1336-5BQ PN 190至1100nm，2.4×2.4mm 活性表面

S7329-01 PIN 320至1060nm，2.0×2.0mm 活性表面

对于特定应用，为了限制电环境噪声的影响，优选的是具有集成前置放大器的光电二极管，例如：Hamamatsu S8745或HamamatsuS8746型的集成光电探测器。

对于在扩展的IR范围(900至2500nm)中的光谱灵敏度，可使用InGaAs光电二极管，例如Hamamatsu G8372-03900至2100nm。GaAsP光电二极管适于可见光范围(400至760nm)，例如Hamamatsu G1736装置；以及GaP光电二极管适于UV至绿光范围(190至550nm)，例如Hamamatsu G1962装置。美国的Laser Components的SiC探测器仅对UV(210至380nm)波长范围固有地敏感。

本实施例的鉴别装置包括围绕PIC16F872处理器7构造的电子电路。该处理器具有35个部件的RISC指令集、2K×14字的快速程序存储器、128×8字节的RAM数据存储器、64×8字节的EEPROM数据存储器、内置的5通道10位A/D转换器，并能够在高达20MHz的时钟脉冲速度下工作。该处理器还是完全电路内可连续编程的，从而使其编程或重新编程与生产无关。它可作为由DIL28管脚封装、在单个5V电源下工作的标准芯片而获得。

在此实施例中，PIC处理器7驱动高达8个具有不同发射波长(分配至管脚21至28)的照明装置LED 4’、4”......、两个指示器LED 91、92(例如绿色和红色LED；分配至管脚17、18)、以及可选地用于声音输出的蜂鸣器(例如，分配至管脚15)。另一根输出线(管脚16)通过电源管理电路8专用于自动电源保持功能。处理器的输出管脚在电流吸收模式下支持高达25mA的负载，从而允许直接地、无缓冲地驱动LED和蜂鸣器。

PIC处理器7具有集成的10位A/D转换器(在两个可选电压参考之间产生1024个数字步长；所述电压参考通常取0V和稳定的5V电源)，其模拟输入端可分配至5个不同的I/O管脚。因此探测装置可配备有两个或更多个光电探测器5’、5”，每个光电探测器都连接至相应的电流-电压转换器/放大器级6’、6”的输入端。本实施例的光电探测器5’、5”为光电二极管，以光伏的或者光电导的模式驱动；在给定的例子(图2)中使用光伏模式。电流-电压转换器6’、6”适当地调整放大因子以传送在有用电压范围内的信号至该处理器的A/D转换器的输入端(管脚2至5)。如有必要，也可以实现由处理器7控制的对于这些放大器的可变增益功能。

在用于鉴别反射的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的特定实施例中，使用安装在四个圆偏振滤光器之后的四个光电二极管，值得注意的是，用于垂直观测和用于掠射观测的各光电二极管安装在各左旋和右旋圆偏振滤光器之后。当然，这些圆偏振滤光器也可插在反射标记和光电二极管之间的光路上的另一位置处。

PIC处理器7的两根数字输入线(管脚11、12)用于读出“参考”和“检验”按钮开关R和T。所述的这两个开关，除了他们的指示功能之外，通过电源管理电路8独立为该装置加电并间接地触发PIC处理器7的自动复位功能。加电功能以电子开关的形式实现，其作用于该设备的通用供电电路8。

加电后，处理器7在读出开关R和T并启动适当的处理程序(“参考采集”或“检验”)之前，初始化自身并将电源保持管脚设为接通状态。电源保持管脚保持通用电源开关接通，即使此时按钮已经被放开了。

在包括在预定等待时间内输出操作结果的处理程序结束后，处理器7将电源保持管脚转换为断开状态，从而使整个鉴别装置关闭。

因此如下提供了PIC处理器的I/O功能：

用于驱动照明装置LED的8个管脚 (输出)

用于驱动电源保持开关的1个管脚 (输出)

用于驱动指示器LED的2个管脚 (输出)

用于驱动蜂鸣器的1个管脚(可选) (输出)

用于读出按钮的2个管脚 (输入)

用于读出高达4个光电二极管的4个管脚 (输入A/D)

用于电路内编程的2个管脚 (输入)

这导致总共19或20条I/O线的使用。

处理器的附加I/O线可被分配给一些辅助功能，值得注意的是被分配给用于通信、监控和调试目的的串行数据传送连接器。

参考图1a，在印制电路板(PCB)上包含该装置的电子电路：PIC16F872处理器7、5V电源稳压器8、石英谐振器(4MHz，未示出)、用于自动电源保持功能的元件、两个按钮开关(R、T)、两个带电阻的指示器LED 91和92、一个(可选)蜂鸣器(未示出)、8个带相应电阻的具有不同波长(紫外、蓝、绿、黄、橙、红、IR1、IR2)的照明装置LED 4’、4”......、两个光电二极管5’和5”、两个带相应反馈电阻的互阻抗运算放大器6’和6”、以及用于电路内编程和监控目的的连接器(未示出)。

该鉴别装置还包括两个按钮开关R和T(标有“参考”和“检验”)，这两个按钮开关在按下时都能够启动该装置的电源8，另外分别触发其特有的功能“参考值定义”和“样品检验”。电源8在放开按钮后仍然起作用，直到处理器7在完成操作后自动切断。

该装置包括两个LED指示器，一个绿色的91表示“合格”，以及一个红色的92表示“不合格”，以显示工作的结果。可选地，也可设有蜂鸣器以输出声控信号。当按下按钮R(“参考”)时，该装置测量参考样品的光学特性并在处理器7的永久存储器中存储相应的数值。该“合格”指示器91用于指示参考采集的成功结束。在预定的短的等待时间之后，该装置自动切断。当按下按钮T(“检验”)时，该装置测量待测样品的光学特性，并根据在处理器7的存储器中存储的预定算法将相应数值与先前存储的参考样品的值进行比较。根据预先设定的标准，绿色的“合格”指示器91用于指示肯定的鉴别结果，而红色的“不合格”指示器92用于指示否定的鉴别结果。在预定的短的等待时间之后，该装置自动切断。

本示例性实施例的装置被设计为依靠标准9V电池块10工作，该电池块由电源管理电路8降压稳定(down-stabilized)以获得所需的5V工作电压。整个电路板(PCB)设在外壳2之内，该外壳2也包含用于9V电池组或电池的电池支架10以及作为照明/聚集光学元件的PMMACPC 3。

实现本发明的方法的该模块化鉴别装置首先设置为通过在两个不同角度处比较在光谱的UV、可见或NIR部分中照明的8种或更多种不同性能的反射光强度以对照经鉴定的参考物品来鉴别样品。显然，这些照明性能由相应照明装置LED 4’、4”、......的发射谱给出，因此，这些照明装置LED可被选择以适合任何特定类型的应用。

基于此处给出的公开内容，本领域技术人员能够想象得到大量可替换的实施例。显然，可以选择使用多于8个的LED以便增强光谱鉴别，或者可以选择使用少于8个的LED并将空闲的I/O管脚分配给辅助输入或输出功能，例如附加的光电探测器或显示单元。也可以选择使用多于两个聚集光纤O和光电探测器5’，以便进一步增强该装置对于与角度相关的光谱可变特征的鉴别能力。

现在参考用于鉴别携带显示预定的特定光学特性的标记的物品的方法。具体地，可认为该方法包括第一“参考采集”部分以及第二“检验”部分，这两部分可独立进行并在时间和空间上彼此分离。

图3a和3b详细说明该方法的参考采集部分，其中鉴别装置被用作测量和存储在参考物品上的标记的参考反射数据：

a)以至少两个照度，即具有不同光谱特性的光的性能来顺序照射所述标记；

b)对于每个处于a)的照射步骤，至少在相对于该标记的平面的两个预定不同观测角度处聚集由所述标记反射的光并测量其强度；

c)在永久数字存储器中存储步骤b)测得的强度值。

根据图3a，对各个不同的参考物品U、V、......分别进行所述参考采集。所述鉴别装置一次仅能够用于一个确定的物品的鉴别。

根据图3b，在所述参考采集的第二实例中，测量几个参考物品U、V、......，并将它们的数据一起存储在同一个鉴别装置中，因而其可用于鉴别多个不同的物品。

图4a和4b详细说明根据本发明的鉴别方法的检验部分，其中包括先前存储的参考数据的鉴别装置被用来将受到检验的物品上的标记的反射数据与所述先前存储的参考数据相比较：

d)以至少两个照度，即具有不同光谱特性的光的性能来顺序照射所述标记，如步骤a)；

e)对于每个处于d)的照射步骤，至少在相对于该标记的平面的两个预定不同观测角度处聚集由所述标记反射的光并测量其强度；

f)根据预定的算法，将在步骤e)中所述测得的强度值与先前存储的相应参考值相比较，并利用预先设定的判定标准从比较结果中导出真实性指示。

图4a中所示的实施例使用户能够检测安全标记，而不必使其自身预先采集参考数据或者校准该鉴别装置。根据预编程的算法和判定标准，比较所采集的来自U’的相应数据和所存储的来自U的参考数据，并显示对于该标记的真实性的指示(“合格”或“不合格”)。

图4b中所示的实施例使用户自己能够在以同样的鉴别装置检测检验物品U’的真实性之前，获得来自参考物品U的参考反射数据。同样，利用预编程的算法和判定标准，以数字形式比较检验和参考数据，并导出和显示对于该安全标记的真实性的指示(“合格”或“不合格”)。

此处所公开的方法优于现有技术的方法的内在优点在于它对在该装置的硬件规格中的波动的大的公差：同样的装置被用于将受检验的物品与经鉴定的真实参考物品相比较。这样的任务不需要被测量和比较的物理量的绝对值；实际上足够的是将例如由正在讨论的鉴别装置看出的受检验的物品与例如由同样的鉴别装置看出的参考物品相比较。显然，这一点能够放宽严格的元件规格，并因此降低该鉴别装置的生产成本。

根据本发明的鉴别装置可被设置为用于除了光学可变(颜色改变)表面的漫反射特性之外的附加光学特性的测量和比较；这些另外的特性包括即时和延迟的发光辐射和时间相关的发光特性。可通过处理器或控制器的适当编程并结合相应的硬件来达到这一点，以便执行所需的照明探测序列和信号分析例程。

通过对该装置添加一个磁传感器并在适当前置放大之后将其输出连接至微控制电路的A/D转换器输入端，以及通过提供该装置的合适的编程，可以类似地评估磁特性。

根据本鉴别方法的实施例，并参考图2，鉴别了具有显示与视角相关的光反射谱的标记的样品。该鉴别装置具有根据图1b的探头，该探头包括连接至处理器7的8根输出线(管脚21至28)并在UV、可见和红外(350至1050nm)光谱范围内发光的8个不同的LED 4’、4”、......、4””””。该装置还包括两个对所述LED的整个发射范围(350至1050nm)敏感的光电探测器5’、5”。所述光电探测器5’、5”连接至具有适度放大因子的互阻抗放大器6’、6”，其又将它们的输出信号传送至处理器7的模拟-数字(A/D)转换器(管脚2、3)。

鉴别装置的探头被施加至标记的顶部，并且通过按下“检验”按钮或者“参考”按钮启动鉴别过程。在加电和初始化完成后，处理器7顺序打开8个LED 4’、4”、......，并对该程序的每个步骤i，读入其工作存储器两个数值：Io(i)和Ig(i)，这两个数值由光电二极管5’、5”通过放大器6’、6”传送至处理器7的A/D转换器(管脚2、3)的信号而获得。所述值表示对于给定照明性能i，在近垂直角(Io(i))和近掠射角(Ig(i))处从该标记的表面反射的光强度。最后，可获得对应于8个LED的强度结果的16个值，并构成对于受到检测的照明性能在近垂直和近掠射反射角处的样品漫射反射谱的原始表示。

在该方法的一个可替换的实施例中，所述测得的值可附加地对于系统测量误差而被校正，所述系统测量误差例如是背景辐射或缓慢变化的仪器参数(光强度等)的影响。用于进行这种校正的数据、算法和参数可包含在该装置的内存储器中。

在一个变形中，参考采集也可相对于基准白色完成，并且根据公式D＝log₁₀(I_w/I)可导出光密度值D；I_w＝基准白色的反射强度；I＝处于相同条件下的标记的反射强度。优选存储基准白色值I_w，以便在下面的检验操作中用作同样的目的。

在“参考采集”过程中，所获得的值现在作为参考值IoR(i)、IgR(i)被传送进入处理器7的永久存储器中，并且该操作的结束得到确认。在短的等待时间之后，处理器7将该装置断电。

在“检验”过程中，使用相同的测量几何结构、条件和设备将数值对Io(i)、Ig(i)与所存储的先前从参考样品所获得的参考数值对IoR(i)、IgR(i)比较。所述比较可通过取差值do(i)＝Io(i)-IoR(i)、dg(i)＝Ig(i)-IgR(i)并通过例如将差的平方求和来完成：

S＝∑do(i)²+dg(i)² (在所有的i上求和)

或者，可选地，绝对值：

S＝∑|do(i)|+|此(i)| (在所有的i上求和)

S是所测值和参考值的拟合度的量度，其最终可对照预定标准被检验，以便决定该受检验的样品是否真实。鉴别结果被显示，并且该操作的结束得到确认。在短的等待时间后，处理器7将该装置断电。

假定至照明动态(dynamics)的光反射的即时响应以及可得到的相对较大的信号强度，则可相当快地进行整个测量过程或程序，通常持续时间不超过约1毫秒。这使得本方法和装置同样适于高速和低速鉴别应用。

Claims

1.一种用于确定物品的真实性的方法，该物品携带显示与视角相关的光反射谱的标记，该方法包括下列步骤：

a)以具有第一光谱特性的至少第一光源照射所述标记；

b)至少在相对于该标记的平面的两个预定的不同观测角度处聚集由所述标记反射的光，并测量其各自的强度；

c)以具有第二光谱特性的至少第二光源照射所述标记；

d)至少在相对于该标记的平面的两个预定的不同观测角度处聚集由所述标记反射的光，并测量其各自的强度；

e)根据预定算法，将步骤b)和d)中所测得的强度值与先前存储的相应参考值进行比较，并利用预先设定的判定标准从比较结果中得出真实性指示；

其特征在于，步骤a)和c)中的照射为通过复合抛物面聚光器(CPC)提供的广角照射，使得以从垂直至掠射角范围内的多个入射角同时照射所述标记。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤b)和/或d)所测得的强度值存储在永久数字存储器中。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，相对于所述标记的平面的法线，所述至少两个预定观测角度中的第一个角度在0°与45°之间选择，以及第二个所述观测角度在45°与90°之间选择。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述观测角度处由所述标记反射的所述光通过光纤聚集。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，在由所述标记反射的所述光通过滤光器后，在所述观测角度处测量由所述标记反射的所述光的强度。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述滤光器为左旋或右旋圆偏振滤光器。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，具有不同光谱特性的步骤a)和c)中的所述照射中的至少一个是由发光二极管提供的。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，具有不同光谱特性的步骤a)和c)中的所述照射中的至少一个是由激光二极管提供的。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，具有不同光谱特性的步骤a)和c)中的所述照射中的至少一个是由配备有滤光器的光源提供的。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，除了所述与视角相关的光反射谱之外，还在电磁波谱的UV、可见或IR范围内测量来自所述标记的即时或延迟的光致发光辐射。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于，除了所述与视角相关的光反射谱之外，还测量所述标记的磁特性。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于，利用相同的物理装置获得所述测得的值和所述先前存储的相应参考值。

13.用于确定物品的真实性的装置，该物品携带显示与视角相关的光反射谱的标记，所述装置包括：

-至少两个具有不同光谱特性的光源，用于提供对所述标记的顺序照射；

-至少两个光电探测器，用于至少在两个预定的不同观测角度处聚集由所述标记反射的光，并传递对应于所聚集的光的强度的电信号；

-模拟-数字转换、处理、控制和存储装置，用于根据预定算法并利用预先设定的判定标准来控制光源、数字化并存储反射的光的强度值、将所述强度值与先前存储的相应参考值进行比较、并从比较结果导出真实性指示；

其特征在于，所述用于确定物品的真实性的装置包括用于将所述光源的光引导至所述标记的广角照明光学器件，其中所述广角照明光学器件为复合抛物面聚光器(CPC)。

14.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，相对于所述标记的平面的法线，所述至少两个预定观测角度中的第一个角度在0°与45°之间选择，以及第二个所述观测角度在45°与90°之间选择。

15.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，所述用于确定物品的真实性的装置包括至少一条用于在所述观测角度处聚集由所述标记反射的所述光的光纤。

16.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，所述用于确定物品的真实性的装置包括至少一个滤光器，通过该滤光器在所述观测角度处测量由所述标记反射的所述光。

17.根据权利要求16的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，所述滤光器为左旋或右旋圆偏振滤光器。

18.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，至少一个所述光源为发光二极管。

19.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，至少一个所述光源为激光二极管。

20.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，至少一个所述光源配备有滤光器。

21.根据权利要求13的用于确定物品的真实性的装置，其特征在于，所述用于确定物品的真实性的装置支持程序化的“学习模式”和程序化的“检验模式”，所述“学习模式”用于确定在参考物品上的反射强度值，并将该值作为参考值存储在数字存储器中，所述“检验模式”用于确定在待鉴别物品上的反射强度值，并将该值与所述先前确定并存储的参考值进行比较，从而得出所述真实性指示。