CN101140668A - 通过检测编码发光安全标记验证物品真实性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在环境光照条件下验证物品上光学安全标记的真实性的装置，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并以预定特性时间响应发射多个其他预定波长范围内的光的发光材料。该装置通过区别安全标记较慢的发光衰减率和固有荧光较快的衰减率，来区别标记的发光和物品可能具有的荧光。该装置包括光学配置和信号处理器组件，这些全容纳在单个外壳中，其中光学配置具有照明组件和发光检测器组件。照明组件和发光检测器组件具有公共的聚焦透镜并沿公共轴排列，以照射安全标记并检测以向后反射的方式来自安全标记的发光。

Description

通过检测编码发光安全标记验证物品真实性的装置和方法
本申请要求2006年8月23日提交的美国临时申请60/839648的优先权。
技术领域
本发明涉及一种验证光学安全标记真实性的装置，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并发出多个预定波长范围内的光的发光材料。
背景技术
已提出多种材料和系统以提供用于在例如纸币的安全性文件中、在标签上或直接在需要辨别真伪的物品上编码荧光材料的材料和方法。这些先前尝试的每一个都具有一定的缺点或不足。
典型的现有技术是美国公开专利申请2003/0032192A1(‘192)，其描述了发光安全标记材料和通过比较一个或多个预期发射峰波长处和附近预期低发射或没有发射的波长处的发射水平验证标记材料真实性的方法。美国公开专利申请2004/0262547A1(‘547)描述了一种执行下述方法的系统，该方法通过验证某些预定发射峰存在于受激材料中，从发光粒子标记中抽取签名。描述测量每个峰的强度并测量相关衰减率以产生形成高度唯一性的签名元素，从而形成“安全”系统。
‘547公开申请中描述的方法使用窄带通滤波器可能查找在592，610.5和626.5纳米(nm)处的发光强度，如图1A所示。但是，该方法没有考虑到可能会存在既在这些波长发光又在其他中间波长发光的“假冒”标记材料。这样，‘547系统针对既在典型波长发光又在其他中间波长发光的宽波带发光假冒标记不能进行完全保护。例如，可得到的有机染料具有跨越‘547申请所查找的波长的宽发射峰。‘547申请也不能解决涉及在实验室环境之外验证标记真实性的一些实际问题。诸如太阳光的环境照明和诸如荧光灯的人工照明的强光源会使验证过程变得复杂。太阳光提供了干扰背景照明的稳定状态，而荧光灯提供了通常以电力线频率(典型的是50或60Hz)变化的干扰背景。
被检测的衬底材料中荧光的存在也使验证过程复杂化。通常直接将安全标记产品施加到要验证的物品上、包围该物品的包装材料上或连接到物品的悬挂标签上。已知许多包装材料在未掺杂的状态下发出荧光。特别地，许多纸产品具有在制造过程中添加其中的增白剂，如有机染料。已知许多聚合物也能发荧光。当结合安全标记发光时，必须将衬底荧光效应最小化，使得发光安全标记可以被准确验证。
美国专利6473165描述了一种用宽带光源照亮要验证的物体并检测从该物体反射的或透射的光信号的验证系统，其中光检测器选自分光光度计，摄谱仪或其组合。该专利还描述了一种用于传送物体通过光源的传送器件。这种系统本身比较复杂，在不受控制的环境中，如存在环境照明的情况中不实用。
需要一种整装的、便于携带的、并能依靠电池电源工作的装置，其能在环境照明条件下验证具有固有荧光的物体上发光安全标记的真实性。
发明内容
本发明是一种用于验证位于衬底上的光学安全标记真实性的装置。该装置通过区别安全标记较慢的发光衰减率和衬底荧光物的较快衰减率，将安全标记的发光与衬底的荧光区分开。该安全标记包括吸收在第一预定波长范围内的光并以特征时间响应在多个其他预定波长范围内发射光的发光材料。该装置包括以下光学配置，该光学配置包括全部容纳在单个外壳内的照明组件、发光检测器组件和信号处理器组件。照明组件和发光检测器组件具有公共的聚集透镜并沿公共主轴排列以照亮安全标记，并检测以向后反射方式从安全标记发出的光。
照明组件包括：包括光源和准直透镜的脉冲的光源，第一滤波器，波长选择分束器，聚焦透镜，和监视用光检测器。脉冲光源的每次脉冲的持续时间和脉冲重复频率是预定的，并可根据安全标记材料的发光特性时间响应来选择。照明组件中的第一窄带通滤波器只使选择为与安全标记中发光材料的吸收波带相匹配的第一预定波长范围的光通过。波长选择分束器沿共同主轴放置，用于反射几乎所有第一波长范围的光，并沿主轴将光引导到聚焦透镜。聚焦透镜放置于主轴上，用于将第一波长范围的光聚焦到安全标记上以激励安全标记发光。一小部分未被反射的光通过波长选择分束器，聚焦到监视用光检测器上以监视脉冲照明光源的强度。
发光检测器组件，用于检测安全标记中的发光材料发出的光并将检测到的发射光转换为电信号，其包括多个沿主轴排列的光检测器组件。每个光检测器组件包括放置在主轴上的分光器，和沿次轴排列的带通光学滤波器，透镜和光检测器。分光器将基本准直的发光的一部分从主轴反射到次轴上。分光器可以根据强度或波长来分光。在强度型分光器中，也称作非波长选择分束器，全部入射波长的一部分被反射，剩余部分透射。在波长选择分光器中，也称作波长选择分束器，一部分波长的光被反射，剩余波长的光透射。带通光学滤波器使感兴趣的预定范围波长的光通过到达聚焦透镜和光检测器，该预定范围波长根据发光材料的光谱特性来选择。聚焦透镜将基本准直的光聚焦到光检测器上，使得安全标记的被照亮区域在光检测器上成像。光检测器检测感兴趣的波长带内的光并将检测到的发射的光转换为电信号。
发光检测器组件的多个光检测器每一个都以距安全标记相同的距离放置，以确保每个光检测器观察到由照明光源激励的安全标记的相同区域。
信号处理器组件包括定时和控制单元以及信号处理器，信号处理器接收来自多个光检测器中每一个的对应于照明组件发出的每个光脉冲的电信号，并验证发光安全标记的真实性。定时和控制单元产生对应于每个照明脉冲发生的时间参考信号，信号处理器从照明组件中监视用光检测器的检测到的输出产生参考电平，并将参考电平存储到存储器中。信号处理器在时间参考信号后以预定时间间隔对多个光检测器的每一个的输出进行采样。采样对应于发光材料的特性时间响应。在存储到存储器之前，使用存储的参考电平对采样输出进行任选的归一化处理。对预定量的照明脉冲采集样本，然后在预定量的照明脉冲上对来自每个光检测器的对应样本取平均。
为了确定发光安全标记的真实性，信号处理器首先在时间参考信号之后的相应时刻从每个光检测器选择平均信号的样本。然后信号处理器确定所选光检测器信号样本的比率，并比较对应于感兴趣的波长带的信号的比率与发光材料的期望的发光比率。这些感兴趣的波长带包括期望发光的多个预定波长带，并且可以包括不期望发光的波长带。然后信号处理器将比率比较结果进行逻辑组合，以确定发光安全标记的真实性。
操作中，产生定时信号且对照明组件中的光源加以脉冲。第一滤波器仅通过已知其用于激励安全标记发光的第一波长范围的光。准直透镜基本上对光准直，第一波长选择分束器沿主轴反射来自照明光源的大部分光穿过聚焦透镜，聚焦透镜将光聚焦到安全标记上。监视用光检测器监视来自照明光源的脉冲输出强度，并提供参考信号到信号处理器。
从安全标记发出的光由聚焦透镜采集并形成基本准直的光束。基本准直的光沿主轴通过波长选择分束器到达发光检测器组件。每个光检测器组件的每个分光器沿主轴反射部分光束到次轴。次轴上的光穿过带通光学滤波器并聚焦到光检测器上。光检测器根据该特定光检测器组件中的带通滤波器检测特定波长范围内的光。
每个光检测器产生传送到信号处理器组件的电信号。信号处理器组件利用定时参考信号，按照安全标记中发光材料的已知特性时间响应以预定的时间间隔采样电信号。由于施加了安全标记的物品中的衬底荧光物通常具有比安全标记中发光材料更快的衰减率，仅通过在采样光检测器信号之前等待适当的时间间隔，就可以忽略衬底荧光。
每个光检测器组件可以用于验证存在或缺少感兴趣的预定波长范围内的光发射。可以与相关带通滤波器一起使用一个或多个光检测器组件，以验证存在所期望的预定发光波长范围，该波长范围对应于发射谱中的峰值。也可以与相关带通滤波器一起使用一个或多个其他光检测器，以验证不存在一个或多个波长范围内的光发射，该波长范围对应于期望发射谱中的谷值。每个与特定光检测器相关的带通滤波器可以是窄带滤波器或带宽相对较宽的滤波器，以跨越出现期望或不期望发光的波谱波长范围。
在此描述的多个光检测器的配置可以结合以要求的可信度验证发光材料是真实的安全标记而不是假冒的所需要的任何数量的分光器、带通光学滤光器和光检测器。
信号处理器组件任选地使用照明光源监视信号，以先归一化来自光检测器组件的样本。然后对于预定数量的激励脉冲，对相应时刻采集的样本取平均。通过比较来自不同光检测器的相应时刻的样本和预定标准，然后比较来自不同光检测器的相应时间样本的比率和预定标准，信号处理器组件可以逻辑组合这些结果以验证发光材料的真实性。
通过在预定时间间隔以预定的脉冲重复率对照明光源加以脉冲，信号处理器组件可以执行类似于被称为“同步检测”的技术，以最小化环境照明的影响。尽管环境照明可以包含安全标记的发光物质发射范围内的波长，但环境光不会以预定的脉冲重复率发生。通过只检测以定时参考信号之后预定时间延迟发生的发光，可以将环境光的影响降到最低。
附图说明
图1A示出了用于安全标记的发光材料(Kasei Optonix KX-504)的典型发射谱，其中标出了发光峰值的波长；
图1B示出了也可用于安全标记的GTE Sylvania Gd2O2S:Tb(2611型)发光材料的发射谱，其中标出了发光峰值的波长；
图1C示出了图1A的发光材料(Kasei Optonix KX-504)和图1B的发光材料(GTE Sylvania 2611型)的混合物的发射谱；
图1D示出了“绿色”反射分束器的反射谱；
图1E示出了“红色”反射分束器的反射谱；
图1F示出了图1D的分束器的反射谱和图1C的发光材料混合物的发射谱的卷积；
图1G示出了图1E的分束器的反射谱与图1C的发光材料混合物的发射谱的卷积；
图2示出了本发明的具有多个光检测器组件的通用装置的程式化截面图；
图3示出了本发明的具有三个光检测器组件的特定实施方式的程式化截面图；
图4示出了安全标记的发光特性时间响应和激励脉冲以及其上施加了标记的典型衬底材料的荧光特性时间响应的时间曲线；
图5示出了在固有荧光延迟之后在发光响应期间采集光检测器样本的采样间隔的时间曲线；
图6示出了LED照明光源的发射谱和在图2和3的实施方式中有用的三个带通滤波器的透射率特性；
图7示出了用作光检测器的前置放大器的跨导放大器；
图8示出了信号处理器组件的框图；
图9示出了信号处理器操作的框图；
图10示出了典型LED照明光源的发射谱；
图11示出了两个光学滤波器的透射率特性，一个滤波器(24)用于抑制来自图10的LED光源的较长波长的发射，一个滤波器(34)用于防止主激励波长的散射光到达光检测器组件；
图12示出了对于同步检测的示例检测到的信号电平相对于激励源脉冲重复频率的曲线；
图13示出了响应于示例4的发光材料的持续激励源的组合的衬底荧光和发光；
图14示出了响应于脉冲激励源施加到示例4的标签上的安全标记的发光响应；
图15示出了响应于连续激励源的响应于施加到示例5的标签的安全标记的连续激励源的组合的衬底荧光和发光；
图16示出了响应于脉冲激励源施加到示例5的标签上的安全标记的发光响应；
图17示出了示例10和示例11的589纳米陷波滤波器的反射谱；
图18示出了示例10和示例11的627纳米陷波滤波器的反射谱；
图19示出了示例10和示例11的694纳米陷波滤波器的反射谱；
图20A-C示出了作为图17-19的陷波滤波器谱与示例10的发光光谱的卷积结果在每个光检测器期望的谱；
图21A-C示出了作为图17-19的陷波滤波器谱与示例11的发光光谱的卷积结果在每个光检测器期望的谱；
图22示出了示例12和示例13的592纳米Rugate滤波器的反射谱；
图23示出了示例例12和示例13的610纳米Rugate滤波器的反射谱；
图24示出了示例12和示例13的694纳米Rugate滤波器的反射谱；
图25示出了响应于示例12的发光材料的脉冲激励源的发光响应；
图26A示出了作为592纳米Rugate滤波器谱与示例12的发光谱的卷积结果所期望的谱；
图26B示出了作为610纳米Rugate滤波器谱与示例12的发光谱的卷积结果所期望的谱；
图26C示出了作为694纳米Rugate滤波器谱与示例12的发光谱的卷积结果所期望的谱；
图27示出了响应于示例13的发光材料的脉冲激励源的发光响应；
图28A示出了作为592纳米Rugate滤波器谱与示例13的发光谱的卷积结果所期望的谱；
图28B示出了作为610纳米Rugate滤波器谱与示例13的发光谱的卷积结果所期望的谱；
图28C示出了作为694纳米Rugate滤波器谱与示例13的发光谱的卷积结果所期望的谱。
具体实施方式
在以下的整个详细说明中，在所有附图中相似的参考标记表示相似的元件。尽管根据利用蓝或近紫外激励源并检测更长波长的可见发光(即，所谓的降频转换模式)对本装置进行了描述，但应该理解的是所述原理可以同样应用于其他激励波长和其他发光波长。以比激励源短的波长发光的发光材料也被认为在本装置的应用范围之内。在这种实例中，本发明的装置可以通过(例如)用近红外发光LED或激光LED取代400纳米的LED激励源，和使用适于来自安全标记的上变频转换波长的滤波器，在上变频模式中工作。可以使用典型的上变频转换发光材料，如Y2O2S:Yb，Er，在此情况下选择带通滤波器(或陷波滤波器)以通过(或反射)与Er相关的发光波长，980纳米激励通过Yb离子激励，激发上变频转换过程，随后将能量转移给Er。激励源仍将在与Er发光寿命相符的频率被调制(如用于降频转换)。
商业可获得的荧光材料的发射谱的示例如图1A所示。如要描述的，本发明的装置可以用于验证发光安全标记中这种材料的存在。例如，在如图1A所示的荧光材料的发射谱中，在592，610.5和692纳米处具有预期的峰值，窄带通滤波器可以用于检测585-595，605-615和685-695纳米波长范围内的光。此外对该光谱，相对较宽的带通滤波器可以通过620到680纳米之间的光，以验证在该波长范围内不存在明显的光能量。额外的窄带通滤波器可以600纳米为中心并通过595到605纳米之间的光，以验证在592到610.5纳米峰值之间的波长范围内不存在明显的光能量。
图2是用于读取安全标记12的装置10的截面的程式化平面图。从图2中可以理解到本发明的装置10的结构是模块化的。装置10包括光学配置15和信号处理器组件200。
光学配置15由照明组件20和发光检测器单元40组成。发光检测器单元40可以包括多个光检测器组件50，60，...，90。光检测器组件的数量根据发光材料发射的波长带的数量来选择。
照明组件20由靠相关驱动电路220供电的光源22，带通滤波器24，准直透镜26，波长选择分束器28和聚焦透镜30组成。光源22典型的是在光谱的蓝或近紫外部分工作的发光二极管(LED)，并按照将要照射的发光材料的吸收光谱来选择。其他可能的光源包括激光LED，钨丝灯，石英卤素灯，水银(Hg)灯，氙气(Xe)灯和固态激光器。
滤波器24用于限制激励照明的波长范围。如果光源22的发射足够窄，则可以省略滤波器24。选择滤波器24的响应以与安全标记中发光材料的已知吸收波带相匹配。滤波器24典型的可以是窄带通滤波器，但也可以使用具有其他响应函数的滤波器。
LED22发出的穿过滤波器24的光被准直透镜26采集，准直透镜26基本上使光束准直。已经发现涂覆有SF-5抗反射涂层的平凸f1透镜(可从EdmundOptics的部件P45-504得到)适于用作透镜26。基本准直的光被引导到波长选择分束器28，波长选择分束器28沿光轴A(轴部分A1)反射照明光束。分束器28典型的是特定波长分束器，其反射LED22发出的通过滤波器24的蓝光中的大部分，透射小部分蓝光和大部分其他更长波长的光，如绿光或红光。由分束器28反射的光沿主轴部分A1被引导到聚焦透镜30，聚焦透镜30将照明光束聚焦到安全标记12上。聚焦透镜30典型的是f/1平凸透镜(例如EdmundOptics的部件P45-504)。安全标记12发出的光主要是来自安全标记12中发光材料的光，并具有不同于激励照明光束的波长谱。
安全标记12发出的光由透镜30采集并基本准直，以基本准直的方式沿光轴部分A1向后引导。这个基本准直的光通过特定波长分束器28，沿着主光轴(A2部分)到达一组光检测器组件50，60，...，90。任选滤波器34可用于阻挡杂散光到达光检测器组件。
每个光检测器组件包括沿主轴A放置的分光器(分别为48，58，...，88)和分别沿次轴A3，A5，...，AN-1放置的透镜(分别为52，62，...，92)，窄带通滤波器(分别为54，64，...，94)和光检测器(分别为46，56，......，96))。包括透镜102、窄带通滤波器104和光检测器106的光检测器组件100沿轴部分AN放置。
分光器可以采用以下几种形式之一实现：作为非波长选择分束器，作为波长选择分束器，或作为已知为陷波或Rugate滤波器的特殊形式的波长选择分束器。在H.A.Macleod的薄膜光学滤波器中，物理学会出版，费城，第3版(Instituteof Physics Publishing，Philadelphia)(2001)，可以找到关于陷波和Rugate滤波器的描述。下面讨论假定分光器是作为非波长选择分束器来实现的。
光检测器56，66，76，...，106可以是硅光电二极管，雪崩硅光电二极管，光电倍增管，或电荷耦合装置(CCD)。尽管优选硅光电二极管，如可从UDT传感器公司(Hawthorne，CA)获得的UDT-555D型，或Hamamatsu公司(Bridgewater，NJ)的S1337-66BR型硅光电二极管检测器-5.8mm。
光检测器组件50的分光器48使得入射光的第一部分(典型的约20-30％)被沿次轴部分A3反射，而第二部分(典型的约70-80％)通过分光器48并沿主轴部分A4传播。沿次轴部分A3引导的光由透镜52聚焦，通过带通滤波器54，并被光检测器56检测。光检测器56和相关的前置放大器56P产生代表入射到光检测器56的光强度的电信号，该电信号被传送到信号处理组件250。这样，由光检测器组件50检测发光的感兴趣的所谓第一波长带。
沿主轴部分A4传输的光被引导到光检测器组件60。光检测器组件60的分光器58沿次轴部分A5反射部分入射光(典型的约30-50％)，剩余部分沿主轴部分A6透射。沿次轴部分A5引导的光由透镜62聚焦，通过带通滤波器64，并由光检测器66检测。光检测器66和相关的前置放大器66P产生代表入射到光检测器66上的光强度的电信号，该电信号被输送给信号处理组件260。光检测器66典型的也是上述UDT-555D型硅光电二极管。这样，由光检测器组件60检测发光的感兴趣的第二波长带。
沿主轴部分A6，...，AN传输的光由随后的光检测器组件70，...，100检测。随后的每个光检测器组件70，...，100与之前描述的光检测器组件50，60相似。每个分光器48，58，...，88的反射率按照该装置中采用的光检测器组件50，60，...，100的总数来选择。可以理解的是分光器48，58，...，88大致将安全标记发出的发光等分，并以大致相等的强度将发光引导到光检测器组件50，60，...，100。
图3是本发明特定实施方式的截面的程式化平面图，显示了装置10’。装置10’包括光学配置15’和信号处理器组件200。光学配置15’由照明组件20’和光检测器组件40’组成。光检测器组件40’由三个光检测器组件50’、60’、70’组成。照明组件20’如上所述结合图2的照明组件20配置。
安全标记12发出的光由透镜30采集并基本准直，以基本准直的方式沿主光轴部分A1向后引导。这个基本准直的发光通过特定波长分束器28，穿过任选滤波器34，沿着光轴(A2部分)到达一组光检测器组件50’、60’、70’。每个光检测器组件50’、60’包括沿主轴A放置的分光器(分别为48’或48”，58’或58”)，和分别沿次轴A3、A5放置的透镜(分别为52’、62’)、窄带通滤波器(分别为54’、64’)以及光检测器(分别为46’、56’)。包括透镜72’、窄带通滤波器74’和光检测器66的光检测器组件70’沿主轴部分A6放置。
该(非波长选择)分光器48’使得入射光的第一部分(典型的约30％)沿次轴部分A3反射，而第二部分(典型的约70％)通过分束器48’并沿主轴部分A4传输。沿次轴部分A3引导的光由透镜52聚焦，通过带通滤波器54，并由光检测器56检测。光检测器56和相关的前置放大器56P产生代表入射到光检测器56的光强度的电信号，该电信号被传送到信号处理组件250。沿主轴部分A4传输的光被引导到分光器58’。分光器58’沿轴部分A5反射部分入射光(典型的约50％)，剩余部分沿主轴部分A6透射。沿次轴部分A5引导的光由透镜62聚焦，通过带通滤波器64，并由光检测器66检测。光检测器66和相关的前置放大器66P产生代表入射到光检测器66上的光强度的电信号，该电信号被传送到信号处理组件250。
沿主轴部分A6传输的光由随后的光检测器组件70检测，光检测器组件70包括透镜72、带通滤波器74和光检测器76以及相关的前置放大器76P。选择每个分束器48’、58’的反射率，以大致将安全标记12发出的光等分，并以大致相等的强度将发光引导到光检测器组件50、60、70。
如果期望的发光波长带间隔比较密集，如一些发射材料具有的发光峰值仅间隔20-30纳米的情况，分光器48和58典型地要选择为非波长选择分光器(例如，宽带分束器)，其在所有波长处基本相等地部分反射和部分透射光。然后窄带通滤波器54、64仅允许期望的发光窄波长带到达各自的光检测器组件50和60。如果这些期望的波长带在波长上充分分开，正如当安全标记包含诸如铕(Eu)和铽(Tb)之类的两种不同的稀土离子所期待得那样，，则可以使用波长选择分束器48”和58”(取代非波长选择的分束器48’和58’)，而无需窄带通滤波器54、64。波长选择分束器的使用具有将相应光检测器组件50、60和70处的光强度增大几倍的潜在优势。
应当注意以下内容的重要性，带通滤波器的传输特性与要检测的光谱峰值(即感兴趣的波长带)要密切匹配，或者与期望不存在光能量的波长范围相匹配。
示例1发光材料具有包含3个峰值的光谱(图1A)
具有按照图2的配置的四个光检测器组件的装置10，可以用于确定带有具有类似于图1A所示发射谱的发光安全标记的物品的真实性。在该装置中，光检测器组件50的带通滤波器54以589纳米为中心，并具有10纳米的半最大值全宽度(FWHM)传输，以便通过584-594纳米的波长带，光检测器组件60的带通滤波器64通过605-615纳米的波长带，光检测器组件70的带通滤波器74通过689-699纳米的波长带。此外对于该光谱，具有带通滤波器88的光检测器组件80可以通过540到570纳米之间的光，以验证该波长范围内不存在明显光能量。
示例2具有两种发光材料的安全标记，用于说明使用特定波长分束器(48、58)分离Eu3+和Tb3+的发光
通过将由394纳米光激励的Kasei Optonix(Y, Gd)BO3:Eu(按KX-504A出售)的第一光谱(图1A)与由377纳米光激励的GTE Sylvania Gd2O2S:Tb(2611型)的第二光谱(图1B)数学相加，“综合”得到一组“Tb3++Eu3+”发光光谱，每个光谱乘以可变因子以模拟不同的混合比(如下面表1第2和第3栏所列)。用激励和发射分辨率设置为1纳米的SPEXFluorolog-3分光计测量两个起始谱。将得到的这种假设混合物的合成发光谱(如图1C所示)与所选择的用于分离绿色Tb发射和红色Eu发射的两个滤波器的反射率谱响应进行卷积。绿光滤波器是Edmund Optics G47-265型，红光滤波器是Edmund Optics G47-266型。
在入射方向的45度角，使用分辨率为1纳米、步长为1纳米的Perkin-ElmerLambda 9000 UV-可见光-近红外分光计测量滤波器的透射谱，并用等式R(反射率)＝1-T(透射率)(即，假设不存在吸收)计算反射谱。“绿光”和“红光”滤波器的滤波器反射谱分别如图1D和图1E所示。两个示范性光谱卷积如图1F和图1G所示。如果绿光滤波器(具有光谱1D)处于位置48，红光滤波器(具有光谱1E)处于位置58(如图2的程式化截面图所示)时，可由光检测器56和66测量的七种不同的荧光材料的假设混合物的强度比如表1所列。
表1.对代表不同Tb:Eu混合物的合成光谱计算得出的检测的光强比。
合成光谱序号 Gd2O2S:Tb倍增器(2611型) (Y，Gd)BO3:Eu倍增器(KX-504A型) I(绿)/I(红)
1 1.00 1.00 0.636
2 0.75 1.00 0.537
3 0.50 1.00 0.430
4 0.25 1.00 0.317
5 1.00 0.75 0.761
6 1.00 0.50 0.982
7 1.00 0.25 1.485
按照图3的具有三个光检测器组件的装置可以用于确定带有发光安全标记的物品的真实性，该发光安全标记包含两种不同的具有宽间隔发射峰的稀土离子，如Eu和Tb。在这种情况中，可以使用波长选择分束器48”和58”。对第一发射峰(例如，Tb在543和548纳米处的发射谱线)具有高反射率(＞90％)的分束器48”可以用于光检测器组件50中。陷波滤波器或Rugate滤波器可以用于波长选择分束器48”。对第二发射峰(例如Eu在692纳米处的发射谱线)具有高反射率但在592纳米和610.5纳米处透射更短波长的Eu的发射谱线的第二分束器58”可用于光检测器组件60中。陷波滤波器或Rugate滤波器可以用作波长选择分束器58”。这种波长选择分束器在所有三个光检测器组件50、60、70处分别提供了相当高的光强。对于该示例，光检测器组件50采用了530-550纳米的带通滤波器以检测543和548纳米的峰，光检测器组件60采用了685-705纳米的带通滤波器以检测692纳米的峰，光检测器组件70采用了580-620纳米的带通滤波器以检测组合的592纳米和610.5纳米的峰。
如图2和3中所见，更如图8中所见，本装置10的信号处理器组件200包括定时和控制单元210，驱动单元220和信号处理器组件230。信号处理器230由定时单元210同步，并包括处理器通道240、250、260、...、290、300。处理器通道240与光源监视用光检测器32相关。每个处理器通道250、260、...、290、300接收来自分别与光检测器56、66、...、96、106相关的前置放大器(56P、66P、...、96P、106P)的信号。每个处理器通道包括与每个前置放大器接口的模数转换器(A/D)。A/D转换器采样光检测器的输出信号并将模拟电压转换为数字信号。每个数字化样本存储在可由数字信号处理器单元230C读取的存储器230M中。
工作过程中，定时和控制单元210产生传输到驱动单元220和信号处理器组件230的定时参考信号。驱动单元220产生一组脉冲以驱动光源22，每个脉冲具有预定持续时间并间隔预定的时间间隔。该预定持续时间按照发光材料的发光特性进行选择，如到达全发光的激励时间。脉冲之间的预定时间间隔按照发光材料的发光衰减特性进行选择，如发光衰减到可忽略水平的时间。对光源22发光的每个脉冲，信号处理器通道240采样来自监视用光检测器32的信号，其相关的A/D转换器将信号转换为数字值，且将该值存入存储器230M的行阵列240A中。于是，每个存储在阵列240A中的值代表来自光源的光的特定脉冲的光强。该值可随后任选用于归一化来自光检测器组件50、60、...、90、100的检测信号。
在预定时间延迟(足以使衬底的荧光衰减到可忽略水平的时间)之后，每个信号处理通道250、260...、290、300开始采样其相应光检测器的输出。多个样本由相应的A/D转换器转换为数字值，并将这些数字值存入存储器230M中。这些值被存入存储器阵列250A、260A、...、290A、300A中，每个阵列对应一个处理器通道250、260...290、300。阵列的每列代表光检测器对单个激励脉冲的发光响应，阵列的每行代表在定时脉冲之后预定时间的样本。对信号处理器的每个通道存储单个阵列。因此在阵列250A中，列1代表对第一光脉冲的响应，列2代表对第二光脉冲的响应，...，列M代表对第M光脉冲的响应。
阵列250A、260A、270A、...、290A、300A中的响应信号可以可选择地被归一化(块250B、260B、...、300B)以校正光脉冲之间光强度的任意变化。这是通过将阵列250A、260A、270A、...、290A、300A的每列中数值除以对应该光脉冲的行阵列240A中的对应数值而实现的。这些归一化后的数值存入阵列250N、260N、270N、...、290N、300N中。然后对阵列250A、260A、270A、...、290A、300A的每行中的数值(或可选地，归一化数值阵列250N、260N、270N、...、290N、300N的每行中的数值)取平均，以产生单个列阵列(分别为250C、260C、270C、...、290C、300C)，其代表采样时间间隔上每个光检测器56、66、76、...、106各自的响应。由于每个单个列阵列(分别为250C、260C、270C、...、290C、300C)中的数值在多个脉冲M之上取平均，可以有效除去安全标记的材料对杂散的环境光激励的发光响应。然后对在列阵列250C、260C、270C、...、290C、300C的对应行位置的数值求比值(框250L)，以确定每个感兴趣的波长带的相对响应。
可选地，可以对每个阵列250C、260C、270C、...、290C、300C中的所有数值取平均，以分别产生单个值250D、260D、270D、...、290D、300D，代表在每个感兴趣的波长的全部样本上的平均响应。然后对这些单个值取比值，以确定每个感兴趣的波长带处的相对响应。
可以下述方式之一形成比值。优选地，如通常由图9中的参考标记250L所表示的，读取代表第一、第二和第三波长范围的平均发光强度的数值(框410)。将每个代表第一波长范围的平均发光强度的数值(阵列250C中)除以代表第二波长范围的平均发光强度的对应数值(例如阵列260C中的数值)(框420)。类似地，将每个代表第一波长范围的平均发光强度的数值(阵列250C中)除以代表第三波长范围的平均发光强度的对应数值(例如阵列270C中的数值)(框425)。然后将每个上述比值与两个上限ULim1、ULim2分别比较(判断框430、435)。如果发光强度比值超过了这些限制，安全标记被判定为“非真”(框470)。如果比值都低于上限ULim1、ULim2，然后将它们与两个下限LLim1、LLim2分别比较(判断框440、445)。如果任何一个比值低于对应的下限LLim1、LLim2，安全标记被判定为“非真”(框470)。只有当两个比值都大于下限LLim1、LLim2(块460中的逻辑与)时，安全标记才被判定为“真”(框480)。然后将验证的结果，“真”或者“非真”传送给指示器，如果该单元连接了远距离数据记录装置，则使其可通过USB接口获得。应该理解的是如果需要更高水平的安全性，可以在验证判断中包含附加波长范围的发光值。
在可选的求比值方法中(未显示)，可以将代表每个波长范围的平均发光强度的数值除以代表所有检测波长范围的平均发光强度总和的数值，然后将这些比值与相应上下限进行比较。
信号处理器组件200可采用商业可获得的逻辑和数字信号处理器集成电路单元实现。这些集成电路尺寸小，价格低，耗电少，可在由电池供电的手持读数器中实现所需的功能。
验证示例
按照图2配置的具有四个光检测器组件的装置10可以用于确定带有具有类似于图1A所示发射谱的发光安全标记的物品的真实性。在该装置中，光检测器组件50的带通滤波器54通过585-595纳米的波长带，光检测器组件60的带通滤波器64通过605-615纳米的波长带，光检测器组件70的带通滤波器74通过685-695纳米的波长带。此外，对于该光谱，具有带通滤波器88的光检测器组件80可以通过520到570纳米之间的光，以验证该波长范围内不存在明显的光能量。
于是，通道250(和得到的阵列250C)代表592纳米峰处的响应，通道260(和得到的阵列260C)代表610.5纳米峰处的响应，通道270(和得到的阵列270C)代表发射谱的692纳米峰处的响应。
存入信号处理器230的存储器230M中的各对阵列250C和260C，阵列250C和270C及阵列260C和270C的对应数值的比值与感兴趣的波长带的期望比值的预定范围进行比较。在该示例中，585-595纳米波长带(即592纳米峰)和605-615纳米波长带(即610.5纳米峰)的比值可以与该材料的期望比值进行比较。类似地，585-595纳米波长带(即592纳米峰)和685-695纳米波长带(即692纳米峰)的比值可以与该材料的期望比值进行比较。如果所有的比值符合期望比值的标准，则可以确定发光安全标记的真实性，并启动指示装置510(例如，液晶显示器(LCD)、绿指示灯、高频音调音响警报等)以指示安全标记的真实性。
如果一个或多个比值在期望比值的标准之外，启动另一指示装置520(例如，LCD、红指示灯、低频音响警报等)指示安全标记缺乏真实性。信号处理器也比较存入存储器的全部信号电平与期望信号电平的标准。如果来自监视用光检测器32的信号电平过低，这指示光源22工作不当，并启动适当的指示装置530(例如，LCD、闪烁的红色指示灯、音响警报等)。如果来自光检测器组件的信号电平过低，这指示装置可能未照明亮安全标记，并启动适当的指示装置540(例如，LCD、闪烁的黄色指示灯，嘟嘟音响警报等)。
发光寿命
在验证安全标记的装置中重点要考虑发光材料的激励响应时间，即激励照明产生有用发光水平所需的时间，和发光寿命，即发光强度衰减到其初始强度(也就是激励脉冲刚完成后的发光强度)的1/e时所需的时间。还要考虑要应用发光材料的衬底的荧光物的激励响应时间和荧光寿命(即荧光衰减到其1/e值时所需的时间)。如果验证装置采用同步检测法，则这些考虑尤为重要，本装置中优选同步检测法，因为其提高了灵敏度。
如果安全标记的发光材料的激励响应时间和发光寿命与衬底固有荧光物的激励响应时间和荧光寿命明显不同，则可以利用这些差别使得验证装置有效地忽略衬底荧光。
衬底荧光物的激励响应时间通常明显低于约10微秒，衬底荧光物的荧光衰减时间通常低于约10微秒。
在本发明的优选实施例中，在包含稀土离子作为发光核心的材料族中选择安全标记的材料。对于这些稀土离子的其中一些，发光衰减时间高达30毫秒。
对于在荧光衬底上包含这种稀土离子的安全标记，光源22发出的激励脉冲通常可以持续5毫秒。可使用从光脉冲结束到光检测器信号采样开始之间的50微秒(也就是，是衬底荧光寿命的5倍)的延迟，使得衬底荧光在采样开始前完全衰减。
在本装置中同步或锁定检测的基本概念是从安全标记12获取弱DC发光信号，其容易被环境噪声源污染和覆盖，并通过在某一频率对激励源进行斩波(加以脉冲)将其转换为AC发光信号。该AC发光信号可由光电二极管检测，得到的电信号经带通滤波(在斩波频率)，然后由选择性地感应仅在斩波频率处的信号的相敏检测器放大和解调(即，转换回DC)。然后该DC信号经低通滤波和放大，并且这个最终输出与落在光检测器上的光强度成正比。通常选择最后的低通滤波器具有对应1秒时间常数或0.125Hz的频率宽度。这个极窄带宽大大减小了锁定放大器输出端的有限频率噪声，但通过所需的DC信号。这样，通过使用同步检测能够检测出湮没在噪声中信号。在下面示例中描述了将该方案应用于发光安全标记所需考虑的内容和期望的性能结果。
可获得其输出峰值具有与稀土发光材料的吸收谱匹配的波长的发光二极管。典型的是具有380纳米峰值发射的5毫瓦(mW)Lumex380纳米LED。但是，发现除所需的如图10左手部分的峰值所示的紫外光UV外，这种LumexLED(以及其他制造商的LED)还发射少量可见光V，如图10的右手部分所示。该可见光可以从安全标记反射或散射，并被一个或多个光检测器采集，表现为污染真实信号的背景信号。图11示出了位于LED22和准直透镜26之间的、去除这种外来光的光学滤波器24的透射率特性。例如，从Edmond Optics可获得的部件号为G52-530的滤波器可减弱LED发出的可见发射，并基本消除LED可见发射。可选地，可以使用不同的滤波器，如Schott BG-1。如果需要，从Edmond Optics可获得的部件号为G52-542的黄光透射滤波器34可以除去从安全标记反射的任何杂散380纳米的LED光，避免其沿主轴A向光检测器组件50、60、...、90传输。
应该注意，在本装置的信号处理中有效地忽略了该反射光，因为当光检测器时间延迟的采样开始时，该反射光将不复存在。
本发明的优点
本发明的装置适于便携式、手持应用。可由电池供电的本装置的所有部件由外壳封装。信号处理器组件可以使用商业可获得的低功率集成电路实现。本装置可以用作单机手持器件，或者可以与数据记录系统连接操作，如销售点终端或台式个人计算机。该装置可以仅由三个AA电池供电。其大致的物理特性是：三维尺度为长小于8”，宽小于4”，高小于2”；重量低于500克(带3个AA电池)。电池寿命估计可持续使用几百小时。本装置在大约1秒内激励安全标记并确定其真实性。最后几百次验证安全标记的结果存储在机载存储器中，并可以通过装置上的USB端口读出。
本发明的光学设计对发光安全标记真实性的验证在几个方面优于现有技术。本设计是简单的向后反射设置，需要最少的光学元件，并易于对准。光检测器组件的对称配置确保了每个光检测器能观测到被照射的安全标记的相同区域。由于每个光检测器观测标记的相同区域，发光材料分布中任何微小的不均匀性将不会影响测量的发光比率。另一优点是通过在离安全标记相同距离处放置每个光检测器来实现，使得安全标记12不必准确地位于透镜30的焦点上。
如果从采集透镜30到安全标记12的距离不等于透镜30的焦距，采集的发光光束不会充分准直，且采集的光不会准确聚焦到每个光检测器件56、66、76的有效区域上。将每个光检测器56、66、76放置在离安全标记相等的距离处，确保光在每个光检测器上的聚焦程度相等。这样确保了安全标记发出的到达每个光检测器56、66、76的光的空间分布是相同的。
在每个检测器上将发光聚焦到明显小于检测器的面积的斑点尺寸，以除去由于光路中的细微不对准导致的部分光错过检测器的可能，这点也很重要。
照明组件的折叠式布置采用了波长选择分束器以将基本准直的激励光束沿轴引导到安全标记。聚焦透镜将基本准直的激励光束聚焦到安全标记上。从安全标记发出的光沿该相同的轴传输回来，由聚焦透镜基本准直并通过波长选择分束器。这种折叠式照明配置减小了激励光从LED到达光检测器组件50、60、70的可能性，并且允许使用单个透镜30就可以既聚焦激励到安全标记上，又能采集并基本准直安全标记发出的光。
本装置需要对光相当灵敏的光检测器，优选硅光电二极管。硅光电二极管比其他光检测器具有一些优点。首先，硅光电二极管在可见光和近红外光谱区域(400-1100纳米)提供了相当高的灵敏度，使其能够检测大部分所感兴趣的发光波长。第二，硅光电二极管能以零偏压运行，即光电模式，以略慢的响应时间为代价提供了最高的灵敏度，略慢的响应时间对本申请并非不利。这样允许简化电子设备和方便电池供电的操作。第三，可获得各种尺寸(即，检测器区域)、零偏压或光电模式的硅光电二极管，对于使用大面积光检测器来说不存在噪声损失，可以简化光学对准并最小化落在光检测器有效区域外的发光的可能性。第四，硅光电二极管可靠且不贵，对于商业装置而言这是两个非常重要的品质。硅光电二极管需要标准的跨阻抗前置放大器用于电流到电压的转换，这种放大器的典型电路如图7所示。
为了增大光学灵敏度，硅雪崩光电二极管或光电倍增管可以用作光电检测器，但这些类型的检测器需要较高的电压电源，其与电池供电的便携操作不兼容。在AC电源可用的固定应用中，硅雪崩光电二极管或光电倍增管提供了增加的响应度(即，响应度从对标准硅光电二极管的＜1安培每瓦(A/W)增加到对硅雪崩光电二极管的～50A/W)。这个增加的响应度能显著减少鉴别每个安全标记需要的时间，或允许在更远的距离处进行鉴别。
示例3同步检测
商业单相位锁定放大器(EG&G Princeton Applied Research Model 5209)用于分析来自硅光电二极管电路的输出信号。LED由Stanford Research DG535型脉冲产生器进行电子调制。调制后的激励波形是具有独立可变脉冲宽度和脉冲频率的方波。由于使用了具有中心位于LED调制频率的电子带通滤波器的锁定放大器，仅检测由方波激励所产生的信号的傅立叶级数展开的基本cos(ωt)成分。应当理解的是能够通过正弦调制LED输出获得稍微更大的信号，使得整个信号出现在单个调制频率处。用1秒的锁定时间常数(选择用以符合1秒读取时间的标准)采集显示的数据，该时间常数对应于0.125Hz的检测带宽。
图12显示了同步检测信号强度与用于15毫秒(msecs)的固定照明脉冲宽度的脉冲频率的曲线。该脉冲宽度被选择成与掺杂稀土的发光材料的发光寿命相当。可以看出，信号在约30Hz频率时最大，对应占空比为30×0.015＝0.45，这意味着光源LED约有一半时间开启。保持脉冲重复率使得占空比保持在大约50％，对作为脉冲宽度的函数的信号的测量确实显示15msec(或更长)的脉冲宽度产生了最大信号。这些测量表明，与发光寿命相当的脉冲宽度和大致为反转寿命一半的斩波频率将产生最大信号。
下面的示例4-9说明了本发明的操作。图3的装置配置用于测量通过带通滤波器的发光强度，带通滤波器的中心位于589纳米、610纳米和694纳米的三个波长的每一个。图3中带有参考数字的具体部件列入表2中。
表2.图3中的部件
部件 制造商 部件号
发光二极管(LED)LED 410nm(InGaN)(图3中22项) LED Supply L3-0-U5TH15-1
硅光电二极管(图3中56，66，76项) UDT Sensors，Inc. UDT-555D
589干涉滤波器(图3中54项) Edmund Optics G43-129
610nm干涉滤波器(图3中64项) Edmund Optics G43-131
694nm干涉滤波器(图3中74项) Edmund Optics G43-142
涂覆SF-5 AR的平凸f/1透镜(图3中26，30，52，62，72项) Edmund Optics P45-504
45度二向色镜(图3中28项) Edmund Optics G47-264
1mm厚50R/50T镜(图3中58’项) Edmund Optics G45-313
1mm厚30R/70T镜(图3中48’项) Edmund Optics G45-312
透射蓝光吸收可见光的滤波器(24项) Edmund Optics G52-530
吸收蓝光透射可见光的滤波器(34项) Edmund Optics G52-542
示例4涂覆的样品
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的KyokkoRed LP-RE1)与乙基纤维素(50wt％的荧光材料)和β-松油醇混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准的Avery标签贴纸(No.8160)上。5个标签的每个都施加一次涂覆。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发残留溶剂。
印刷的标签被本装置照射10毫秒，然后在约1毫秒之后启动的3毫秒窗期间测量发光强度。对5个膜中的每个，通过中心位于589纳米、610纳米和694纳米的带通滤波器测量强度，计算比值，结果在表3中给出。该示例表明本装置从印刷安全标记测量一组特征发光强度比值的能力。
表3.用图3的装置测量的示例4的强度比值
涂覆的样品号 589nm/610nm  589nm/694nm 610nm/694nm
1 0.254  2.86 11.3
2 0.256  2.86 11.2
3 0.256  2.83 11.1
4 0.255  2.85 11.2
5 0.254  2.88 11.3
平均 0.255±0.001  2.86±0.02 11.22±0.08
示例5涂覆的样品
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的KX-504A)与乙基纤维素(50wt％的荧光材料)和β-松油醇混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准Avery标签贴纸(No.8160)上。12个标签中的每个都施加一次涂覆。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发残留溶剂。
印刷的标签被本装置照明10毫秒，然后在约1毫秒之后启动的3毫秒窗期间测量发光强度。对12个膜中的每个，通过中心位于589纳米、610纳米和694纳米的带通滤波器测量强度，计算比值，结果在表4中给出。这个示例表明本装置从不同印刷安全标记测量不同组的特征发光强度比值的能力。
表4.用图3的装置测量的示例5的强度比值
涂覆的样品号 589nm/610nm  589nm/694nm  610nm/694nm
1 0.964  3.145  3.264
2 0.958  3.065  3.199
3 0.963  3.041  3.157
4 0.975  3.145  3.225
5 0.961  3.069  3.195
6 0.955  3.056  3.199
7 0.951  3.039  3.195
8 0.949  3.022  3.184
9 0.928  2.984  3.217
10 0.929  2.991  3.219
11 0.955  3.037  3.181
12 0.941  2.980  3.167
平均 0.952±0.014  3.048±0.054  3.200±0.028
示例6涂覆的样品
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的KX-504A)与乙基纤维素(50％的荧光材料的重量比)和β-松油醇混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准的Avery标签贴纸(No.8160)上。10个标签中的每个都施加两次涂覆。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发任何残留溶剂。
印刷的标签被本装置照明10毫秒，然后在约1毫秒之后启动的3毫秒窗期间测量发光强度。对10个膜中的每个，通过中心位于589纳米、610纳米和694纳米的带通滤波器测量发光强度，计算比值，结果在表5中给出。这个示例表明本装置测量的特征发光比值不受印刷厚度的影响。
表5.用图3的装置测量的示例6的强度比值
涂覆的样品号 589nm/610nm  589nm/694nm  610nm/694nm
1 0.959  3.007  3.136
2 0.961  2.982  3.104
3 0.986  3.116  3.161
4 0.966  2.985  3.090
5 0.969  3.031  3.128
6 0.965  3.040  3.152
7 0.966  3.024  3.129
8 0.976  3.058  3.135
9 0.967  3.116  3.223
10 0.961  2.985  3.105
平均 0.968±0.008  3.034±0.050  3.136±0.037
示例7涂覆的样品
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的KX-504A)与乙基纤维素(50wt％的荧光材料)和β-松油醇混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准的Avery标签贴纸(No.8160)上。11个标签中的每个都施加三次涂覆。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发任何残留溶剂。
印刷的标签被本装置照明10毫秒，然后在约1毫秒之后启动的3毫秒窗期间测量发光强度。对11个膜中的每个，通过中心位于589纳米、610纳米和694纳米的带通滤波器测量发光强度，计算比值，结果在表6中给出。这个示例表明本装置测量的特征发光比值不受印刷厚度影响。
表6.用图3的装置测量的示例7的强度比值
涂覆的样品号 589nm/610nm  589nm/694nm  610nm/694nm
1 0.971  2.991  3.081
2 0.967  2.971  3.074
3 0.971  3.005  3.094
4 0.973  2.975  3.058
5 0.980  3.033  3.095
6 0.966  2.990  3.096
7 0.977  3.005  3.077
8 0.976  3.001  3.076
9 0.978  3.015  3.084
10 0.976  3.055  3.130
11 0.975  2.991  3.068
平均 0.975±0.004  3.003±0.025  3.085±0.019
下面两个实施例显示当采用连续激励和检测时衬底荧光和安全标记发光都出现的情况。这些示例也表明通过采用脉冲激励和时间延迟发光检测可以除去衬底荧光。
示例8脉冲激励和时间延迟检测
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的KX-504A)与乙基纤维素和溶剂(β-松油醇)混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准的Avery标签贴纸(No.8160)上。在标签上施加两次涂覆，产生大致4.0mg荧光材料/cm2的涂层重量。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发任何残留溶剂。
然后用两种不同的方法采集发光光谱。第一种方法中，使用可从Edison，NJ的HORIBA Jobin Yvon，Inc.得到的商业SPEXModel Fluorolog-3分光荧光计采集发光光谱。激励源是工作在稳定模式(即，时间上激励恒定)的Xe灯。激励波长是394纳米，以1纳米谱分辨率和0.1纳米步长采集得到的发光。发光光谱如图15所示。
在第二种方法中，使用配备了加以脉冲的氙灯光源作为激励源的SPEXModel Fluorolog-3分光荧光计采集发光光谱。激励脉冲宽度为1微秒，脉冲重复率为50Hz。在激励脉冲结束后1msec，持续15msec时间间隔，即在后序激励脉冲到达前，检测发光。激励波长是394纳米，以1纳米谱分辨率和0.5纳米步长采集得到的发光。发光光谱如图16所示。
示例9脉冲激励和时间延迟检测
通过研磨5-6分钟，将铕基商业荧光材料(Kasei Optonix Corp.的LP-RE1)与乙基纤维素和溶剂(β-松油醇)混合。用325目筛网将得到的糊状物丝网印刷到标准的Avery标签贴纸(No.8160)上。在标签上施加一次涂覆，产生大约2.0mg荧光材料/cm2的涂层重量。该膜在110-125°加热10分钟以蒸发任何残留溶剂。
然后用两种不同的方法采集发光光谱。在第一种方法中，使用商业SPEXModel Fluorolog-3分光荧光计采集发光光谱。激励源是工作在稳定模式(即，时间上激励恒定)的Xe灯。激励波长是394纳米，以1纳米谱分辨率和0.1纳米步长采集得到的发光。发光光谱如图13所示。
在第二种方法中，使用配备了加以脉冲的氙灯光源作为激励源的SPEXModel Fluorolog-3磷光计采集发光光谱。激励脉冲宽度为1微秒，脉冲重复率为50Hz。在激励脉冲结束后1msec，持续15msec时间间隔，即在后序激励脉冲到达前，检测发光。激励波长是394纳米，以1纳米谱分辨率和0.5纳米步长采集得到的发光。发光光谱如图14所示。
示例10-13以使用离散陷波滤波器的计算的性能(预测反射和透射光谱)为基础，该离散陷波滤波器由Wesfford，MA的Barr Associates，Inc.提供。离散陷波滤波器可利用Barr Associates的定制部件得到，其具有的光谱如图18-20所示。
示例10陷波滤波器
可用作安全标记的商业荧光材料(Kasei Optonix KX-504A)提供有按照下面方式计算的发光峰值强度比值。首先，用SPEXModel Fluorolog-3分光计测量发光光谱。样品是以粉末的形式装在小(直径4mm)石英管中的。激励波长是254纳米。以1纳米谱分辨率和0.1纳米步长采集发射谱。从470-750纳米采集发光数据。三个离散陷波滤波器的计算的反射及透射光谱由BarrAssociates提供。陷波滤波器的峰值反射率中心位于589纳米、627纳米和694纳米的波长处。这些滤波器的谱响应分别如图17-19所示。这些计算的光谱与发光光谱进行卷积，以产生期望引导到诸如图3所示装置中的三个光检测器的光谱。三个光检测器的每一个的期望光谱如图20A-C所示。然后在470-750纳米范围上对每个检测器观察到的光谱求积分，以获得期望由每个检测器产生的信号。这些计算得到的信号用于计算表7中所列的强度比值。
表7.示例10使用陷波滤波器在成对波长处的强度比值
    波长(nm)     强度比值
    589/627     0.841
    589/694     2.689
    627/694     3.199
示例11陷波滤波器
可以用作安全标记的商业荧光材料(Kasei Optonix LP-RE1)具有按照下面方式计算的发光峰值强度比值。首先，用SPEXModel Fluorolog-3分光计测量LP-RE1材料的发光光谱。样品是以粉末为形式装在小(直径4mm)石英管中的。激励波长是254纳米。以1纳米谱分辨率和0.1纳米步长采集发射谱。从470-750纳米采集发光数据。
三个离散陷波滤波器的计算的反射及透射光谱由Barr Associates提供。陷波滤波器的峰值反射率中心位于589纳米、627纳米和694纳米的波长。当用于图3所示的装置中时，这些滤波器分别实现波长选择分光器48”、58”和68”。这些滤波器的光谱响应分别如图17-19所示。这些计算的光谱每个都与发光光谱进行卷积，以产生期望引导到诸如图3所示装置中的三个光检测器56、66和76的光谱。然后在470-750纳米范围上对可由每个检测器观察到的光谱(图21A-C)求积分，以获得对每个检测器期望的信号。这些计算得到的信号然后用于计算表8中所列的强度比值。
表8.示例11使用陷波滤波器在每对波长处的强度比值
    波长(nm)     强度比值
    589/627     0.451
    589/694     0.936
    627/694     2.074
示例12和13以使用Rugate滤波器的计算的装置性能为基础，Rugate滤波器的预测反射和透射光谱由Barr Associates提供。
示例12Rugate滤波器
可以用作安全标记的商业荧光材料(Kasei Optonix KX-504A)具有按照下面方式计算的发光峰值强度比值。首先，用SPEXModel Fluorolog-3分光计测量KX-504材料的发光光谱。样品是以粉末的形式装在小(直径4mm)石英管中的。激励波长是394纳米。以1纳米谱分辨率和0.5纳米步长采集发射谱。从425-730纳米采集发光数据。
三个Rugate滤波器的计算的反射及透射光谱由Barr Associates提供。滤波器的峰值反射率中心位于592纳米、610纳米和694纳米的波长处。当用于图3的装置中时，这些滤波器分别实现波长选择分光器48”、58”和68”。这些滤波器的计算的光谱响应分别如图22-24所示。这些计算的光谱每个都与测得的发光光谱进行卷积，以产生引导到诸如图3所示装置中的三个光检测器56、66和76的期望光谱(图25A-C)。然后在425-730纳米范围上对每个检测器观察到的光谱求积分，以获得期望每个检测器产生的信号。这些计算得到的信号然后用于计算下面表9中所列的强度比值。
表9.示例12使用Rugate滤波器在成对波长处的强度比值
    波长(nm)     强度比值
    592/610     0.929
    592/694     4.015
    610/694     4.323
示例13Rugate滤波器
可以用作安全标记的商业荧光材料(Kasei Optonix LP-RE1)具有按照下面方式计算的发光峰值强度比值。首先，用SPEXModel Fluorolog-3分光计测量LP-RE1材料的发光光谱。样品是以粉末的形式装在小(直径4mm)石英管中的。激励波长是394纳米。以1纳米谱分辨率和0.5纳米步长采集发射谱。从425-730纳米采集发光数据。三个离散陷波滤波器的计算的反射和透射光谱由Barr Associates提供。
陷波滤波器的峰值反射率中心位于592纳米、610纳米和694纳米的波长处。当用于图3的装置中时，这些滤波器分别实现波长选择分光器48”、58”和68”。这些计算的光谱每个都与发光光谱进行卷积，以产生期望引导到诸如图3所示装置中的三个光检测器56、66和76的光谱(图28A-C)。然后在425-730纳米范围上对每个检测器观察到的光谱求积分，以获得期望由每个检测器产生的信号。这些计算得到的信号然后用于计算表10中所列的强度比值。
表10.示例13使用Rugate滤波器在成对波长处的强度比值
    波长(nm)     强度比值
    592/610     0.231
    592/694     3.848
    610/694     16.676
-o-0-o-
本领域技术人员受益于本发明的教导，能对其进行修改。这种修改被认为是处于如后附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (34)

1.一种用于验证带有发光安全标记的物品真实性的装置，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并以特性时间响应发射多个预定波长范围内的光的发光材料，该装置包括：
a)照明组件；
b)发光检测器组件；
c)信号处理器组件，以及
d)外壳，
照明组件和发光检测器组件具有公共聚焦透镜并沿公共主轴排列，以照射安全标记，并检测以向后反射的方式来自安全标记的发光；
i)照明组件，用于照射安全标记，包括波长输出范围对应于安全标记的第一预定波长吸收范围的脉冲的源，
ii)发光检测器组件包括聚焦透镜和多个光检测器组件，每一个光检测器组件沿次轴排列并具有光检测器，该光检测器检测多个感兴趣的预定波长范围的其中一个范围内的发光，并将检测到的发光转换为电信号；
其中，沿主轴和次轴从安全标记到每个光检测器组件的光检测器的光程长度基本相等；
iii)信号处理器组件接收来自对应于照明组件每个光脉冲的该多个光检测器的每一个的电信号，并确定发光安全标记的真实性。
2.如权利要求1所述的装置，其中每个感兴趣的预定波长范围对应于：
a)期望发光的波长带；或
b)安全标记的期望发光波长范围之外的波长带。
3.如权利要求1所述的装置，其中每个光检测器具有其相关的前置放大器，光检测器前置放大器的增益按照发光的期望强度来选择。
4.如权利要求1所述的装置，其中照明组件具有沿照明装置轴放置的元件，其包括：
A)包括光源和准直透镜的基本准直光的脉冲的源，每个脉冲的持续时间和脉冲重复频率是预定的；
B)用于仅通过第一预定波长范围的光的第一带通滤波器；
C)放置在照明装置轴和主轴交点处的波长选择分束器，用于反射第一波长范围的光并将该光沿主轴引导到聚焦透镜；
D)沿主轴放置的聚焦透镜，用于将第一波长范围的光聚焦到物品上的安全标记上；以及
E)放置在照明装置轴上的监视用光检测器，用于接收通过波长选择分束器的来自照明光源的光，从而监视照明源的输出强度，并产生代表所监视的照明强度的电信号。
5.如权利要求1所述的装置，其中每个光检测器组件包括沿主轴放置的分光器、沿次轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器，其中：
A)聚焦透镜采集安全标记发出的光，沿主轴以基本准直的方式引导光，光通过照明组件的波长选择分束器并沿主轴到达该多个光检测器组件；
B)每个光检测器组件的分光器接收来自聚焦透镜的基本准直光，将部分接收光反射到次轴上并沿主轴透射部分接收光；
C)带通滤波器接收分光器反射的光并仅通过对应于感兴趣的波长带的预定波长范围的光；
D)透镜将通过带通滤波器的光聚焦到光检测器上；以及
E)光检测器检测感兴趣的预定波长范围内的光，并产生代表所检测光的电信号。
6.如权利要求1所述的装置，其中发光检测器组件中的每个分光器是非波长选择型的。
7.如权利要求5所述的装置，其中带通光学滤波器的波长范围按照期望的发光波长带进行选择。
8.如权利要求1所述的装置，其中每个光检测器组件包括沿主轴放置的波长选择分光器，和沿次轴放置的透镜和光检测器，其中：
A)聚焦透镜采集安全标记发出的光，沿主轴以基本准直的方式引导该光，光通过照明组件的波长选择分束器并沿主轴到达该多个光检测器组件；
B)每个光检测器组件的波长选择分光器接收来自聚焦透镜的基本准直的光，将接收光的预定波长范围的光反射到次轴上并沿主轴透射剩余波长范围的光；
C)透镜将接收光的预定波长范围的光聚焦到光检测器上；以及
D)光检测器检测感兴趣的预定波长范围内的光，并产生代表所检测光的电信号。
9.如权利要求8所述的装置，其中波长选择分光器的波长反射带按照期望的发光波长带进行选择。
10.如权利要求8所述的装置，进一步包括在透镜和光检测器之间的带通滤波器，其中带通滤波器接收分光器反射的光，并仅通过对应于感兴趣的波长带的预定波长范围的光到达光检测器。
11.如权利要求1所述的装置，其中信号处理器还：
A)产生对应于每次照明脉冲的出现的时间参考信号；
B)在时间参考信号后的预定时间间隔采样该多个光检测器的每一个的输出，该采样对应于发光材料的特性时间响应，且采样的输出存入存储器中；
C)在时间参考信号之后以相应的时刻选择每个光检测器信号的样本；
D)计算从对应于成对的波长带的成对的光检测器信号中选择的样本的比值；
E)比较该比值与该波长带期望比值的预定范围；以及
F)逻辑组合D)和E)的比较结果，以确定发光安全标记的真实性。
12.如权利要求11所述的装置，其中在步骤A)之后信号处理器还：
A1)从照明组件的监视用光检测器所检测的输出产生参考电平，该参考电平存入存储器中；
在步骤B)之后还执行：
B1)从存储器中读取采样的输出，并用参考电平归一化采样输出；以及
B2)将归一化的采样输出存入存储器中。
13.如权利要求11所述的装置，其中在步骤B)之后信号处理器还：
B1)从存储器中读取采样的输出；
B2)对每个光检测器信号的样本在预定数量的照明脉冲上取平均，以产生每个光检测器信号的一组平均样本；以及
B3)将该平均采样输出存入存储器中。
14.如权利要求1所述的装置，其中脉冲的光源包括一个或多个发光二极管。
15.如权利要求1所述的装置，其中脉冲的光源包括激光二极管。
16.如权利要求1所述的装置，其中每个光检测器是硅光电二极管。
17.如权利要求1所述的装置，其中每个光检测器是硅雪崩光电二极管。
18.如权利要求1所述的装置，其中信号处理器提供安全标记真实性的视觉或声音指示。
19.如权利要求1所述的装置，其中信号处理器将来自照明组件中监视用光检测器的所检测的输出的参考电平与预定标准进行比较，以确定每个光脉冲是否足够亮以产生安全标记真实性的有效指示。
20.如权利要求1所述的装置，其中信号处理器将来自每个光检测器组件的平均信号电平与预定标准进行比较，以确定光检测器组件是否正常工作。
21.一种用于验证带有发光安全标记的物品真实性的装置，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并以特性时间响应发射多个预定波长范围内的发光的发光材料，该装置包括：
a)照明组件；
b)发光检测器组件；
c)信号处理器组件，以及
d)外壳，
照明组件和发光检测器组件具有公共聚焦透镜并沿公共主轴排列，以照射安全标记并检测以向后反射的方式来自安全标记的发射光；
i)照明组件，用于照射安全标记，具有对应于安全标记的第一预定波长吸收范围的波长输出范围，具有沿照明装置轴放置的元件的照明组件包括：
A)包括光源和准直透镜的基本准直光的脉冲的源，每个脉冲的持续时间和脉冲重复频率是预定的；
B)用于仅通过第一预定波长范围光的第一带通滤波器；
C)放置在照明装置轴和主轴交点处的波长选择分束器，用于反射第一波长范围的光并将该光沿主轴引导到聚焦透镜；
D)沿主轴放置的聚焦透镜，用于将第一波长范围的光聚焦到物品上的安全标记上；以及
E)放置在照明装置轴上的监视用光检测器，用于接收通过波长选择分束器的来自照明光源的光，从而监视照明光源的输出强度，并产生代表所监视的照明强度的电信号；
ii)发光检测器组件用于检测安全标记中的发光材料发出的光并将检测到的发射光转换为电信号，发光检测器组件包括聚焦透镜和多个光检测器组件，每个光检测器组件包括沿主轴放置的分光器，沿次轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器，其中；
A)聚焦透镜采集安全际记发出的光，沿主轴以基本准直的方式引导该光，该光通过照明组件的波长选择分束器并沿主轴到达该多个光检测器组件；
B)每个光检测器组件的分光器接收来自聚焦透镜的基本准直光，将一部分接收的光反射到次轴上并沿主轴透射一部分接收的光；
C)带通滤波器接收分束器反射的光并仅通过对应于感兴趣的波长带的预定波长范围的光；
D)透镜将通过带通滤波器的光聚焦到光检测器上；
E)光检测器检测感兴趣的预定波长范围内的光，并产生代表所检测的光的电信号；
其中沿主轴和次轴从安全标记到每个光检测器组件的光检测器的光程长度基本相等；
iii)信号处理器组件接收来自对应于照明组件每个光脉冲的多个光检测器的每一个的电信号，信号处理器：
A)产生对应于每个照明脉冲发生的时间参考信号并从照明组件中的监视用光检测器所检测的输出产生参考电平，该参考电平存入存储器中；
B)在时间参考信号后以预定时间间隔采样该多个光检测器的每一个的输出，该采样对应于发光材料的特性时间响应，且采样的输出存入存储器中；
C)在时间参考信号之后的相应时刻选择每个光检测器信号的样本；
D)计算从对应于成对的波长带的光成对的检测器信号中选择的样本的比值；
E)比较该比值与该波段长期望比值的预定范围；以及
F)逻辑组合D)和E)的比较结果，以确定发光安全标记的真实性。
22.一种用于验证带有发光安全标记的物品真实性的装置，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并以特性时间响应发射至少第二和第三预定波长范围内的发光的发光材料，该装置包括：
a)照明组件；
b)发光检测器组件；
c)信号处理器组件，以及
d)外壳，
照明组件和发光检测器组件具有公共聚焦透镜并沿公共主轴排列，以照射安全标记并检测以向后反射的方式来自安全标记的光；
i)照明组件，用于照射安全标记，具有与安全标记第一预定波长吸收范围相应的波长输出范围，具有沿照明轴放置的元件的照明组件包括：
A)包括光源和准直透镜的基本准直光的脉冲的源，每个脉冲的持续时间和脉冲重复频率是预定的；
B)用于仅通过第一预定波长范围的光的第一带通滤波器；
C)放置在照明装置轴和主轴交点处的波长选择分束器，用于反射第一波长范围的光并将该光沿主轴引导到聚焦透镜；
D)沿主轴放置的聚焦透镜，用于将第一波长范围的光聚焦到物品上的安全标记上；
ii)发光检测器组件用于检测安全标记发出的光并将检测到的发射光转换为电信号，发光检测器组件包括聚焦透镜，第一光检测器组件，第二光检测器组件和第三光检测器组件，每个光检测器组件包括沿主轴放置的分光器，沿相应次轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器，其中；
A)聚焦透镜采集安全标记发出的光，沿主轴以基本准直的方式引导该光，该光沿主轴通过波长选择分束器到达该第一光检测器组件；
B)第一光检测器组件包括沿主轴放置的分光器，沿次轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器：其中：
1)分光器接收来自聚焦透镜的光，将一部分接收光反射到次轴上并沿主轴透射一部分接收光；
2)带通滤波器接收分光器反射的光并仅通过对应于期望的安全标记发光的波长带的第一预定波长范围的光；
3)透镜将通过带通滤波器的光聚焦到光检测器上；
4)光检测器接收通过带通滤波器的光，检测安全标记的第一期望发光波长范围内的光，并产生代表所检测的光的电信号；
C)第二光检测器组件包括沿主轴放置的分光器，沿次轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器，其中：
1)分束器接收沿主轴传输的光，分束器将一部分接收光反射到次轴上并沿主轴透射一部分接收光；
2)带通滤波器接收沿次轴反射的光并仅通过对应于期望发光的第二波长带的第二预定波长范围的光；
3)透镜将通过带通滤波器的光聚焦到光检测器上；
4)光检测器接收透射通过带通滤波器透射的光，检测期望发光的第二波长带内的波长范围的光，并产生代表所检测的光的电信号；
D)第三光检测器组件包括沿主轴放置的带通滤波器、透镜和光检测器，其中：
1)带通滤波器接收沿轴传输的光并仅通过第三预定波长范围的光；
2)透镜将通过带通滤波器的光聚焦到光检测器上；以及
3)光检测器接收透射通过带通滤波器的光，检测第三波长带内的波长范围的光，并产生代表所检测的光的电信号；
其中沿主轴和次轴从安全标记到第一光检测器组件的光检测器的光程长度，从安全标记到第二光检测器组件的光检测器的光程长度和从安全标记到第三光检测器的光检测器的光程长度基本相等；
iii)信号处理器组件接收来自照明组件的监视用光检测器和来自第一、第二及第三光检测器组件的光检测器的电信号，信号处理器：
A)产生对应于每个照明脉冲结束的时间参考信号；
B)在时间参考信号后的预定时间间隔内按照发光材料的特性时间响应，采样第一、第二和第三光检测器组件的光检测器的输出，且将采样输出存入存储器中；
C)按照明脉冲的预定次数重复B)并对存储的样本取平均；
D)确定来自每个光检测器组件的对应平均样本的比值；
E)比较该比值与真实安全标记的期望比值的预定范围；以及
F)逻辑组合E)的比较结果，以确定发光安全标记的真实性。
23.如权利要求22所述的装置，ii)的照明组件还包括：
E)放置在照明装置轴上的监视用光检测器，用于接收通过第一波长选择分束器的来自照明源的光，从而监视照明光源的输出强度，并产生代表所监视的照明强度的电信号。
24.如权利要求22所述的装置，在iii)的步骤A)后，还包括信号处理器：
A1)从监视用光检测器所检测的输出中产生参考电平，该参考电平存入存储器中；
和在iii)的步骤B)后：
B1)用存储的参考电平归一化来自第一、第二和第三光检测组件的光检测器的存储样本。
25.如权利要求22所述的装置，其中第三预定波长范围对应于：
a)安全际记期望的发光的第三波长带；或
b)安全标记期望的发光波长范围之外的波长带。
26.如权利要求22所述的装置，其中信号处理器组件在iii)的步骤C)后还：
C1)在时间参考信号后的预定时间间隔内比较第三光检测器的平均样本，以检测不存在期望发光的波长范围之外的光，以确定在第三波长带内不存在不期望的发光。
27.如权利要求22所述的装置，其中发光检测器组件的第一光检测器组件的ii)的B)中的分光器包括沿主轴放置的波长选择分光器，其中：
1)波长选择分光器接收来自聚焦透镜的基本准直光，将接收光的第一预定波长范围的光反射到次轴上，并沿主轴透射接收光的剩余波长范围的光；
2)透镜接收来自波长选择分光器的预定波长范围的反射光并将该光聚焦到光检测器上；
3)光检测器接收来自透镜的光，检测第一预定波长范围内的光并产生代表检测的光的电信号。
28.如权利要求27所述的装置，其中波长选择分光器的波长反射范围按照发光安全标记的发光期望的波长带进行选择。
29.如权利要求28所述的装置，还包括位于波长选择分光器和光检测器之间的带通滤波器，其中带通滤波器接收来自分光器的反射光，仅通过对应于感兴趣的波长带的预定波长范围的光到光检测器。
30.一种用于验证带有发光安全标记的物品真实性的方法，该标记包括吸收第一预定波长范围内的光并以特性时间响应发射至少第二和第三预定波长范围内的发光的发光材料，该方法包括：
a)产生定时信号；
b)用第一预定波长范围内的聚焦光源以预定的时间周期照射安全标记，该时间周期足以使发光材料发出基本恒定的水平的光；
c)用多个光检测器检测发光，射到每个光检测器上的光在预定的窄波长范围内，选择该波长范围使得至少两个波长范围对应于期望的发光谱带，至少一个波长范围被选择处于不期望发光谱带的波长范围，每个光检测器产生电信号；
d)在信号处理单元中接收定时信号和多个电光检测器信号的每一个，该信号处理单元执行以下步骤：
i)等待预定的第二时间间隔，以便背景荧光基本衰减；
ii)按时间顺序数字化每个光检测器信号的预定数量的样本，将这些样品存入存储器阵列；
e)等待预定的第三时间间隔，使得发光基本衰减；
f)重复步骤a)到e)预定次数；
g)通过平均来自光检测器的时间顺序的对应样本，同步检测每个光检测器信号，以产生增强的光检测器信号；
h)将增强的两个或多个期望的发光信号和增强的至少一个不期望的发光信号与预定阈值进行比较；以及
i)逻辑组合比较结果，以验证安全标记的真实性。
31.如权利要求30所述的方法，还包括采用分束器和参考光检测器以监视来自照明光源每个照明间隔的输出强度，并向信号处理单元提供参考信号，信号处理单元用该参考信号归一化来自每个光检测器的每个时间顺序的数字化样本。
32.如权利要求30所述的方法，还包括照射安全标记并检测以共轴向后反射的方式发射的光。
33.如权利要求30所述的方法，其中放置该多个光检测器使得从安全标记到每个光检测器的光程长度相等。
34.如权利要求1所述的装置，其中该装置适于便携式、手持应用，且该装置由电池供电。
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