CN1096608C - 检测荧光和磷光的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的设备具有一发光系统，它用脉冲激发光照射片材。传感器分别在脉冲激发光的亮相期间和脉冲激发光的暗相期间检测片材发出的光强度。借助于计算装置根据在脉冲激发光亮相和暗相中检测到的强度推导荧光性发光强度和磷光性发光强度。为了保证用高强度进行可能的最长时间的预照射，传感器优选检测发光装置照射的片材区域内和朝向区域终端的发光强度。此外，选择片材照射区的大小使之为所需分辨率的许多倍。
Description
发明领域
本发明描述了一种用于检测从片状材料例如有价证券或银行票据上发出的荧光和磷光的设备和方法。
背景技术
这样一种设备已经在US-PS3473027中公开。其中所述的设备具有一个发光装置，该装置用紫外激发光照射片状材料。优选用紫外激发光连续照射片状材料。如果需要的话，还可以对片状材料进行时钟式照射。用传感器检测片状材料发出的光。为此，利用透镜系统将发出的光成象到棱镜上，然后棱镜把发出的光分解成特定波段的光。通过另一个透镜系统将各波段的光成象到一个独立的检测器上，所述检测器发出与波段的强度成正比的电信号。为了沿着具有理想分辨率的轨迹检测片状材料，利用一个传输系统沿穿过照射装置和传感器的传输方向来传送片状材料。
公知装置的缺点是不能将片状材料发出的光分成荧光和磷光部分。
US-PS3592326中公开了一种用于根据包裹上的识别标记检测荧光性和磷光性发光的设备和方法。该文件描述了与包裹分拣和定向装置有关的光学扫描装置，所述扫描装置包括发光装置，其中在传送带上传送的包裹在传输运动期间受到聚焦在扫描线上的灯光以时钟形式的照射。由包裹或识别标记发出的光在任何情况下都通过旋转的反射镜组件、且通过两个棱镜和相关的滤光器提供到两个传感器中的一个上，其中所述旋转反射镜的转轴平行于传输方向延伸而且恰好位于所说扫描线之上。当进行照射时，一个传感器负责检测反射光和荧光，而另一个传感器在不进行照射时测定磷光性发光。
公知的装置首先具有复杂的结构，其次考虑到相应的调整、校正和运行效果需要至少两个传感器。由于发光和扫描是朝向扫描线的，所以磷光性发光识别标记的激发率很低，因此在测量磷光性发光时只能得到很小的强度而且不能确保精确的和可再现的测量。
发明概述
因此，本发明在上述问题的基础上提供了一种用于检测从片状材料上发出的荧光和磷光的极精确测量的装置和方法，其中可以将片状材料发出的光用通用的一个传感器分成荧光和磷光部分。
为了解决上述问题，本发明一方面提出一种用于检测从例如有价证券或银行票据等片状材料上发出的荧光和磷光的设备，包括：
发光装置，用于以时钟激发光照射片状材料，
至少一个传感器，用于检测由片状材料发出的光，和
输送系统，用于沿传输方向传输片状材料使其通过发光装置和传感器，从而
传感器检测时钟激发光亮相中的发光强度和暗相中的强度，
设有一个计算装置，用于根据在时钟激发光亮相和暗相中检测到的强度推导荧光性发光强度和磷光性发光强度，
受发光装置照射的片状材料区是所需分辨率的倍数，以及
传感器检测由发光装置照在片状材料区内且朝向区域终端(沿传输方向)的光强度。
本发明另一方面提供一种用于检测从例如有价证券或银行票据等片状材料上发出的荧光和磷光的方法，包括以下步骤：
用时钟激发光照射片状材料，
检测由片状材料发出的光，和
沿传输方向传输片状材料使其通过激发光和片状材料发光检测区，从而
检测时钟激发光亮相中的发光强度和暗相中的发光强度，以及
根据在时钟激发光亮相和暗相中检测到的强度推导荧光性发光强度和磷光性发光强度，
其中根据亮相中的强度和暗相中的强度之差来推导荧光性发光强度，而且磷性发光强度对应于暗相中的强度。
按照本发明，传感器在时钟激发光的亮相(light phase)期间检测发射光的一个强度值而在时钟激发光的暗相(dark phase)期间检测发射光的另一个强度值。在计算装置中，根据在时钟激发光的亮相和暗相中测得的强度推导出荧光性发光强度和磷光性发光强度。磷光性发光强度对应于暗相的强度，而荧光性发光强度是根据亮相中的强度和暗相中的强度差得出的。此外，传感器检测由发光装置照射的片状材料区域内且朝向该区域终端(沿输送方向)的发光强度。而且应将由发光装置照射的片状材料区域的大小选择成使之成为所需分辨率的倍数。
由于确保了较长时间的高强度预照射，所以使磷性发光的强度较大。
附图的简要说明
下面将参照附图对本发明设备的优选实施例和实现本发明的方法进行详细描述，其中：
图1a-d表示包含发光装置发光强度的设备示意图，
图2表示时钟关系的示意图，
图3a、b表示发光的强度图形。
优选实施方式的详细描述
图1 a表示本发明所述设备的一个优选实施例的示意图。在设有透明窗11的不透光外壳10中具有发光装置20和两个传感器30及40。窗11传输激发光波段和荧光性及磷光性发光波段。
发光装置20具有不透光外壳21，外壳21上设有滤光器22，滤光器22不传输待检测的荧光性和磷光性发光波段。在外壳21中设有激励灯23，激励灯通过未示出的控制装置适时地进行时钟启动。由激励灯23发出的光至少包含激励荧光性和磷光性发光所需的波段。
就激励灯23而言，优选使用至少发射UV光的气体放电灯。通常还可以用荧光灯或没有荧光物质的气体放电灯作为激励灯23。此外还可以使用因受激的惰性气体与卤素反应而发光的气体放电灯。
传感器30和40实际上是模拟结构的传感器。其优选形成检测器阵列31、41的形式，检测器阵列把片状材料发出的光转换成与发光强度成正比的电信号。检测器阵列31、41可以使用例如光电二极管或CCD阵列。例如，如果只需检测片状材料上的一条轨迹，则可以用单个检测器来代替检测器阵列31、41。优选选择检测器阵列31、41以便能在相邻的轨迹内检测到片状材料整个宽度上发出的光。
此外，传感器30、40分别具有光学系统33、43，用于把优选小于所需分辨率的片状材料区成象到检测器阵列31、41的检测器上。光学系统33、43可以使用例如透镜系统。然而优选使用具有至少一个光电导材料成象单元的光学系统33、43。光电导材料成象单元的优点在于其结构比透镜系统紧凑的多。
此外，可以将滤光器32、42设置在传感器30、40的光轴34、44上。下面将描述如何适当选择滤光器32、42的波段。
为了确保设备的结构紧凑，将传感器30、40的光轴34、44相对于与传输方向V垂直的方向旋转α角。由于透明窗11至少不反射以角度α入射的光，所以可以防止在窗11上产生不希望的反射。此外，滤光器22包括两个支架，它们分别设在与传输方向的垂直方向成固定角度β的位置上，角度β的值为β＝90°-α。
用传输系统(未示出)输送片状材料50使之沿着用箭头标出的传输方向并以给定的传输速度V通过发光装置20和传感器30及40。
图1b表示由设备中的发光装置相对于传输方向的空间延伸产生的激发光强度。在由发光装置照射的区域B中，激发光强度首先上升到最大值，然后在区域的另一端再次下降。传感器30、40相对于激发光的最大强度对称地设置并且检测受照射的区域B内的发光强度。在图中所示的实施例中，传感器30和40检测激发光强度降至一半时的发光强度。
为了使由传感器30、40之一测得的强度分配在片状材料传输方向的特定位置上，而产生了时钟T，时钟的频率是传输系统的传输速度V和传输方向上的理想局部分辨率A的商。其保持了T＝V/A。例如，在传输速度为V＝10m/s和理想分辨率A为2mm的情况下，可得到的时钟频率T＝5kHz。时钟最好是在其半个脉冲期P＝1/T时为逻辑1而在另半个脉冲期为逻辑0。
图1c和1d表示用时钟T展现的银行票据50。上面定义的时钟T的时钟频率确保了时钟的逻辑1或逻辑0与银行票据50上特定位置有关而与传输速度V无关。理想的分辨率A为在任何情况下含有时钟T的周期。
就检测片状材料50上的荧光性和磷光性发光而言，首先用从发光装置20上发出的时钟式激发光照射片状材料。用传感器30检测由片状材料50发出的处于照射区B内且朝向照射区端部(沿传输方向)优选在激发光最大强度之后的光。
由于照射区B远远大于理想分辨率A，所以在传输片状材料50期间每个分辨率A的区域将在几个时钟T的周期内受到来自发光装置20的激发光照射。由于传感器30仅检测朝向照射区终端(沿传输方向)且最好在激发光最大强度之后的发光强度，所以其确保了在传感器30检测到发光之前，片状材料50的每个区域A受到较长时间的高强度预照射。
较长时间的高强度预照射使磷光性发光物质的初始强度I0较高。由于磷光物质的发光强度取决于初始强度I0而且随时间呈指数下降，所以要进行准确测量就必然需要较高的初始强度I0。作为时间函数的磷光物质的发光强度满足公式I(t)＝I0/(1+(t/τ)a)。衰变时间τ达到强度的一半和值a是磷光性发光物质的参数。
图2中示出了发光检测中的时间关系曲线图。时钟T1-T3是在不同传输速度V下的时钟且可用上述公式确定。时钟激发光的亮相和暗相由时钟L生成。在亮相中，用特定的自由可选择的时钟L时钟的激励灯23，时钟L的频率高于时钟T。在时钟T的逻辑1开始时，时钟L向激励灯23的控制单元发送一定数量的逻辑1。在时钟L处于每个逻辑1时，激励灯23产生光脉冲。在亮相中，激励灯产生激发光，该激发光具有在时钟T开始时发射的一定数量的光脉冲。对于其余的时钟T，时钟L产生逻辑0而且激励灯23不发射激发光。
在亮相期间，发光强度R基本上不变并且包含发射光的所有波段。优选沿传感器30的光轴34设置滤光器32以便仅传送荧光性和磷光性发射光波段。
在最后一个激发光的光脉冲之后开始的暗相中，仅存在磷光性发光强度，而且该强度按照上述与选定物质有关的能量定律而下降。
时钟D控制传感器30检测发光的时间。时钟D包含两个逻辑1的区域。第一个区域控制亮相区内的发光检测而第二区域控制暗相区内的检测。时钟D中第一区和第二区之间的时间间隔选为常数。从时钟T第一区开始到时钟D开始的时间间隔也选为常数。时钟D的时间区以及它们在亮相或暗相中的位置原则上可以任意选定。然而，优选将时钟D第一区的位置和宽度选择成能在最后一个光脉冲期间的时钟亮相中测到发光强度。设定时钟D第二区的位置以便在最后一个光脉冲后的恒定时间周期之后在暗相中测得发光强度。选择恒定的时间周期使得在暗相中对发光强度的检测尽可能发生在最短的时钟T内。
由于时钟T与片状材料的传输速度V有关，因此如上所述，其随传输速度V的变化而改变。由于上述用于检测发射光在亮相或暗相中强度的方法仅与开始时的时钟T有关，所以时钟T的延迟，即传输速度V放慢在一定限度内是可以允许的。由于是在最后一个光脉冲后的恒定时间周期之后进行暗相中的发光检测，所以不管磷光性发光强度是否呈指数下降，都可以确保暗相中发光强度的再现性。
在任何情况下根据在时钟激发光的亮相和暗相中测得的强度可推导出荧光性发光强度和磷光性发光强度。例如磷光性发光强度可与暗相强度相对应。可以根据亮相强度和暗相强度差推导出荧光性发光强度。当然对专家而言还可以使用其它算术运算来推导荧光性或磷光性发光强度。
使用第二传感器40可以检测由片状材料发出的几个不同波段的光。为此，将滤光器42设在传感器40的光轴44上以便仅传送荧光性和磷光性发光波段中的分波段。由于传感器30、40相对于发光装置20的最大强度对称设置，所以传感器40在照射区的起始处，优选在最大激发光强度出现前沿传输方向检测发射光的强度。在传感器40检测发射光期间仅发生极少量的磷光物质预照射。因此传感器40在暗相中检测到的发射光基本上仅是不需要的杂散光，所以例如可以用传感器40在暗相中检测到的光强度对其它测量强度进行标准化处理。而传感器40在亮相内检测到的发射光包含了被滤光器42限定在特定波段上的荧光性发射光。
在激发光的亮相期间，荧光性发光强度可以通过传感器30和根据来自传感器40的特定波段的荧光性发光强度推出。通过例如在传感器30测得的总强度和传感器40测得的强度之间形成差值的方式还可以推出在与传感器40的波段相互补的波段内的荧光性发光强度。
在暗相期间，传感器30检测荧光性发光强度。通过时钟T可以将推导出的强度分配在银行票据50上具有理想分辨率A的位置处。
如图3a所示，上述方法的结果是，可以得到沿片状材料总长上的每个轨迹按照每个传感器30、40的波段解析的发光强度图形。在亮相中，传感器30检测包含发射光所有波段的强度图形IF。在亮相中，传感器40检测仅包含例如发射光为红光波段的强度图形IR。黄-绿发射光的强度图形IG是通过强度图形IF和强度图形IR之差得到的。此外，在暗相中可以得到如图3b所示的发射光强度图形IP。然后可以如上所述根据强度图形导出不同波段的磷光和荧光强度。
如上所述，通过适当地选择轨迹可以用理想的分辨率检测从所有片状材料发出的荧光和磷光。
Claims (26)
1.一种用于检测从例如有价证券或银行票据等片状材料上发出的荧光和磷光的设备，包括：
发光装置，用于以时钟激发光照射片状材料，
至少一个传感器，用于检测由片状材料发出的光，和
输送系统，用于沿传输方向传输片状材料使其通过发光装置和传感器，从而
传感器检测时钟激发光亮相中的发光强度和暗相中的强度，
设有一个计算装置，用于根据在时钟激发光亮相和暗相中检测到的强度推导荧光性发光强度和磷光性发光强度，
受发光装置照射的片状材料区是所需分辨率的倍数，以及
传感器检测由发光装置照在片状材料区内且朝向区域终端沿传输方向的光强度。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于发光装置具有至少发射UV光的气体放电灯作为激励灯。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于发光装置具有作为激励灯的荧光灯。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于发光装置具有没有荧光物质的气体放电灯作为激励灯。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于发光装置具有因受激的惰性气体与卤素反应而发射激发光的气体放电灯作为激励灯。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于发光装置具有设在不透光外壳内的激励灯，所述不透光外壳上带有一个窗口，窗口上设有至少一个滤光器，滤光器不传播待测的荧光性和磷光性发光波段。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于滤光器设在与垂直于传输方向成固定角度的位置上。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于传感器具有用于检测发射光强度的检测器阵列。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于传感器具有光学系统，用于将比理想分辨率小的片状材料区成象到检测器阵列的检测器上。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于光学系统具有至少一个光电导材料成象单元。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于传感器具有至少一个滤光器，该滤光器仅传播荧光性和磷光性发光波段。
12.根据上述任一项权利要求所述的设备，其特征在于将传感器的光轴设置得与片状材料的传输方向成一定角度。
13.根据权利要求1至11之一所述的设备，其特征在于设置至少一个第二传感器以便检测时钟激发光亮相中的发光强度和时钟激发光暗相中的发光强度。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于第二传感器的结构与第一传感器相同。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于第一传感器检测由发光装置照射的片状材料区域内和朝向区域终端沿传输方向的发光强度，而第二传感器检测由发光装置照射的片状材料区域内和朝向区域始端沿传输方向的发光强度。
16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于传感器对称于发光装置设置。
17.根据权利要求13所述的设备，其特征在于第一传感器具有至少一个滤光器，该滤光器仅传播荧光性和磷光性发光的波段，而第二传感器具有至少一个滤光器，该滤光器仅传播荧光性和磷光性发光的分波段。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于将发光装置和传感器设置在不透光外壳内，所述不透光外壳上带有透光窗，透明窗传送激发光波段和荧光性及磷光性发光波段。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于透光窗至少不反射特定角度的光。
20.一种用于检测从例如有价证券或银行票据等片状材料上发出的荧光和磷光的方法，包括以下步骤：
用时钟激发光照射片状材料，
检测由片状材料发出的光，和
沿传输方向传输片状材料使其通过激发光和片状材料发光检测区，从而
检测时钟激发光亮相中的发光强度和暗相中的发光强度，以及
根据在时钟激发光亮相和暗相中检测到的强度推导荧光性发光强度和磷光性发光强度，
其特征在于根据亮相中的强度和暗相中的强度之差来推导荧光性发光强度，而且磷性发光强度对应于暗相中的强度。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于根据片状材料的传输速度和所需分辨率的商来选择激发光的时钟。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于激发光在时钟开始时发出具有一定数量的光脉冲。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于在最后一个光脉冲期间测量时钟亮相中的强度。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于在最后一个光脉冲后的恒定时间周期之后测量时钟暗相中的强度。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于在最后检测激发光的几个时钟之前对片状材料的发光检测区进行照射。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于在几个不同的波段对片状材料发出的光进行检测。
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