CN111512543A - 光传感器和衰减时间扫描器 - Google Patents

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Abstract

所公开的用于检测发光材料所发出的光的衰减时间的扫描器具有控制单元，该控制单元能够操作以调整驱动电流或驱动电压的值，向其光源供电以相应地调整被传递至发光材料的激发光的强度以使得其高灵敏度光传感器可以可靠地测量响应于激发光而发出的发光，并因此准确地确定相应的衰减时间值。

Description

光传感器和衰减时间扫描器
技术领域
本发明涉及用于检测和确定发光材料所发出的发光的衰减时间特性的光学装置的技术领域。特别地，本发明涉及用于基于由发光材料响应于适当的激发光照射而发出的发光的衰减时间特性来对包括发光材料的物品进行认证的诸如(手持式)光学扫描器等的光学装置。
背景技术
发光材料通常用于作为真实性特征而被设置在文件或物品上或者被设置在文件或物品的散装材料中的安全标记。发光材料通常将给定波长的激发辐射的能量转换为具有另一波长的发射光。用于对标记进行认证的发光发射可以位于从UV光(低于400nm)、可见光(400～700nm)或近红外光至中红外光(700～2500nm)的谱范围内。
“上变频器”材料以比激发辐射短的波长发射辐射。与此相对，“下变频器”材料以比激发辐射长的波长发射辐射。大多数发光材料可以在多于一个波长处被激发，并且一些发光材料可以在多于一个波长处同时进行发射。
发光可以分为：(i)磷光，其涉及去除激发辐射之后可观察到的时间延迟的辐射发射(通常，具有高于约1μs至约100s的衰减寿命)，以及(ii)荧光，其涉及激发时的即时辐射发射(通常，具有低于1μs的衰减寿命)。
因此，在用第一波长范围内的激发光照射时，发光材料通常发射第二波长范围内的发光，其中第二波长范围可能与第一波长范围不同或与第一波长范围重叠(取决于所使用的材料)。发光材料的特征谱属性，诸如其随时间变化的发射光强度分布或其在激发停止后的特征衰减时间等，例如是该材料的签名，因此可以用作检测真实或伪造所用的真实性特征。
发光材料是安全油墨或涂料的典型成分。例如，以下专利公开了发光物质(其可以包括具有不同衰减时间属性的颜料的混合物)和包括这种物质的安全纸：EP 0 066 854B1、US 4,451,530、US 4,452,843和US 4,451,521。用于检测发光和被标记物品的真实性的处理和设备也是众所周知的：参见例如US 4,598,205或US 4,533,244(其公开了感测发光发射的衰减行为)。根据US 3,473,027已知发光编码符号，并且在US 3,663,813中公开了用于发光码的光学读取器。专利US 6,996,252 B2、US 7,213,757 B2和US 7,427,030 B2公开了使用具有不同衰减时间属性的两种发光材料来对物品进行认证。
用于检测时间相关的发光的传统扫描器包括电源、连接到电源以用激发光照射发光材料的光源、用于测量由发光材料发射的发光的强度的光传感器、以及用于控制电源、光源和光传感器以获取所发射的发光的随时间的强度分布并且根据该强度分布来计算衰减时间值的控制单元(处理器)。
用于这种扫描器的传统光源(取决于谱的哪一部分将用于发光材料的检测)是白炽灯(通常用于约400nm至约2500nm之间的波长)(这些灯与机械或光电装置一起用于传递脉冲光)、闪光灯(例如氙气高压闪光灯等)、激光或发光二极管(LED，其在UV、可见或IR区域中发光，通常用于约250nm至约1微米的波长)。传统的光源经由驱动电流(例如LED)或经由驱动电压(例如放电灯)供电。
用于扫描器的传统光传感器或光电检测器是光电二极管(单个或阵列)，光电晶体管或光阻电路、线性CMOS或CCD传感器。
传统的手持式扫描器(有绳或无绳)除了其用于向扫描器供电的特定电源模块之外，还可以包括用于(例如通过Wi-Fi的)无线通信的无线电模块、用于显示测量数据或扫描参数的显示模块(例如液晶显示器LCD或显像管显示器)、以及用于输入扫描条件的控制接口(包括具有多种功能的按钮以及开启/关闭开关按钮)。
传统上，来自发光材料的发光的衰减强度曲线(随时间的强度分布)通过指数定律I(t)≈I0exp(-α[t-t0])来建模(拟合)，其中时间t从移除激发光的时刻t0开始计数。因此，获得与表征发光材料的衰减率常数α相对应的值需要在激发停止后在测量时间区间Δtmeas内测量由连续强度值I(t1)……I(tn)组成的发射强度分布。在传统扫描器中，脉冲光源仅在激发时间区间Δtex期间用具有给定强度且在第一波长范围内的激发光照射发光材料、然后在照射已停止后的时间延迟后，光传感器开始在测量时间区间Δtmeas内测量第二波长范围中的衰减发光强度的连续值，并且相应的发光强度分布I(t)被存储在存储器中。可以重复该操作，以获得多个发光强度分布并计算更可靠的平均值。通常，可以设置激发时间区间和/或时间延迟，以避免发光强度的值低于光传感器的检测阈值或高于其饱和阈值的问题。然而，一些其它变形也是已知的。
例如，专利US 6,264,107B1公开了根据潜在磷光强度下降通过两个预定阈值所需的时间来确定衰减时间。该专利公开了包括泛光LED(FLED)作为光源(即，极强光源)的扫描器。在这种情况下，的确需要这种强光源来对包括发光材料(磷光体)的标签进行足够的充电并防止相对于噪声的低信号响应的问题。
在另一方法中，专利US 7,262,420B1公开了用激发光执行多次照射以获得单个衰减时间值：(在相同的激发时间区间期间)连续激活光源，并且在利用激发光源对发光材料的照射已经切断之后进行发光强度的单个测量，但是各连续测量是以从激发光被切断的时间开始计数的不同时间延迟进行的。然而，该方法需要针对各测量强度值进行一次照射。此外，为了获得更可靠的结果，该方法需要与相同时间延迟相对应的重复测量。
为了获得更强的发光信号，一些扫描器允许设置激发时间区间，以对发光材料中的发光颗粒进行足够的“充电”。此外，为了所确定的衰减时间值的更好的准确度，连续获取多个有效的强度分布(例如，约一百个)，然后将这些曲线相加，并将得到的信号归一化，并将归一化信号用于计算衰减时间值。如果强度分布的至少第一点的强度值高于光传感器的检测阈值并且低于其饱和阈值，则强度分布是有效的(如果值太低或太高，则激发时间相应增加或减少)。
在具有少量发光材料或具有对光激发、特别是短衰减时间(例如约100μs至几ms)呈弱响应的发光材料的安全标记的情况下，传统扫描器面临严重的问题。为了能够检测所产生的低水平发光强度信号，需要增加扫描器的灵敏度，因为仅增加激发时间一般不足以解决该问题：例如，由于在使用长激发光脉冲时产生的热量，因此需要通过在光源和发光材料的被照表面之间使用光导来增加照射光源和发光材料之间的间隔，其中光导的中心中空部分用于将所产生的发光发射光收集回光传感器。然而，使用光导来收集发射光导致发光强度损失，因此看起来不便于检测低水平光强度信号。试图通过使光传感器更靠近发光材料以避免这种发光强度损失从而增加扫描器的灵敏度也引起如下的问题：由于高照射强度水平对于引起足够强度(即，高于光传感器的检测阈值水平)的发光发射响应是必需的，因此光传感器一般是饱和的，并且在开始测量发光强度之前，所产生的恢复(即，准确地测量低于光传感器的饱和水平的发光强度)所需的“盲时间”至少需要在照射结束后的(相当长的)时间延迟。然而，由于对激发照射的发光强度响应的快速降低的信号，在照射结束和发光检测开始之间的这种时间延迟导致最高发光强度信号的一部分不能用于确定衰减时间值。只能测量发光强度信号的低水平部分，但是其准确度较低，特别是在弱发光信号的情况下。
另外，在光传感器被设置成非常靠近包括发光材料的标记的表面(例如，约几毫米或更小)的情况下，必须被传递至标记的强激发照射(例如，利用FLED、即“闪光LED”)更容易使光电二极管饱和。这种情况使得光电二极管的总恢复时间增加，并且还可能导致过高水平的电流在电路中流动(具有相应的可能损坏)。因此，在传统读取器中的强照射的情况下，在光源和标记之间设置光导，以减轻这些缺点，但是上述的不便之处在于降低了光学传感器的灵敏度(因为检测到较少的发光)。由于光导引起的附加问题是，甚至需要更多的照射光，其不便之处在于功耗和散热。然而，在光源和发光标记之间没有使用光导的情况下，上述的饱和效应实际上因为在光传感器恢复(即，回到不饱和状态)之前的过长的盲时间(通常为80～100μs或更大)而妨碍了发光强度分布的准确检测。
增加测量时间显然也不是解决方案，因为只有发光强度信号在照射光的激发结束后不久发射的部分实际上与确定衰减时间特性有关(即，发射强度信号足够强以由光传感器以良好的准确度检测到的情况)。当试图测量来自弱发射信号的短衰减时间值(“短”是指小于约100μs的值)时，情况尤其如此。
因此，仍然需要一种高灵敏度扫描器，其能够检测来自标记的发光材料的弱发光强度信号并获取相应的发光强度分布，以准确地计算衰减时间特性，并且仍然能够操作以在实际消除标记的照射和发光收集期间的光损失的情况下将高激发光强度传递至发光材料。
发明内容
本发明旨在提供高灵敏度光传感器以及包含所述光传感器的扫描器、特别是紧凑型手持式光学扫描器，其能够操作以检测弱发光强度信号，从而准确地确定发光材料的相应衰减时间；该扫描器避免了现有技术的上述缺点。
根据本发明的一方面，一种用于检测从发光材料接收到的发光的光传感器，包括：
-偏置调节器，其能够操作以传递偏置电压Vb；
-光电二极管，其具有连接至所述偏置调节器的阴极，使得所述光电二极管由所传递的偏置电压Vb而被反向偏置，所述光电二极管能够操作以在光电导模式下响应于在给定光电二极管谱范围中的接收到的发光而传递光电流强度Ip；
-反相跨阻抗放大器，其包括运算放大器以及所述运算放大器的反相输入端子和输出电压端子之间的反馈电阻器Rf和与所述反馈电阻器Rf并联安装的反馈电容器Cf，所述运算放大器的反相输入端子连接至所述光电二极管的阳极并且能够操作以将所传递的光电流强度Ip转换为所述输出电压端子处的输出电压信号Vout；
-所述光传感器还包括PNP双极结型晶体管，其发射极E和基极B与所述反馈电阻器Rf和所述反馈电容器Cf并联连接，其基极B连接至所述输出电压端子并且其集电极C接地。
所述光传感器的偏置调节器优选为低噪声、快速瞬态响应的偏置调节器。
所述光传感器还可以包括串联连接至所述光电二极管的阴极并且接地的电容器C1和C2、以及连接至所述运算放大器的非反相输入端子和所述电容器C1和C2之间的端子的接地电阻器Rg，其中，所述电容器C1和C2以及所述接地电阻器Rg被调整以消除由所述偏置调节器引起的电压变化。
所述光传感器还可以包括连接在所述偏置调节器的输出电压端子和所述光电二极管的阴极之间的偏置电流传感器，所述偏置电流传感器能够操作以测量被传递至所述光电二极管的偏置电流Ibias的强度。
根据本发明的另一方面，一种用于在用激发波长范围内的激发光照射时检测来自发光材料的发光的扫描器，所述发光材料发出发射波长范围内的所述发光，所述扫描器包括：
-电源，其能够操作以传递可变的驱动电流或驱动电压；以及
-光源，其连接至所述电源并且能够操作以在用所述电源所传递的驱动电流或驱动电压供电时用所述激发波长范围内的所述激发光照射所述发光材料，在激发时间区间Δtex期间，所述光源能够操作以产生具有根据所传递的驱动电流或驱动电压而变化的激发光强度的激发光，
所述扫描器还包括：
-配备有偏置电流传感器的上述光传感器，所述光传感器能够操作以在用所述光源照射所述发光材料并且检测到相应的发射发光的情况下将输出电压信号Vout传递到连接至输出电压端子的模数信号转换器的输入端子，所述模数信号转换器能够操作以在测量时间区间Δtmeas内将所述输出电压信号Vout转换为数字化发光强度信号；以及
-控制单元，其连接至所述偏置电流传感器以接收偏置电流Ibias的强度的测量值，并且进一步连接至控制总线，所述控制单元能够操作以：
-通过设置所述驱动电流或驱动电压的值以及所述激发时间区间Δtex的值，经由连接在所述电源和所述控制总线之间的第一数模信号转换器来控制所述电源，以及
-经由进一步连接至所述控制总线的模数信号转换器以及第二数模信号转换器这两者来控制所述光传感器，以设置所述测量时间区间Δtmeas的值并在所述测量时间区间Δtmeas的值内获取所述发光强度信号，从而形成数字化发光强度信号分布I(t)，其中，所述第二数模信号转换器连接至与光电二极管的阳极相连的偏移电阻器Ro、并且进一步连接至所述控制总线，以将偏移电流强度Io转换为数字化偏移电流强度，
其中，
-所述控制单元还能够操作以接收所述发光强度信号，并控制所述电源以调整被传递至所述光源的驱动电流的值或驱动电压的值，使得与所传递的发光强度信号相对应的发光强度值低于与所述光电二极管的饱和阈值相对应的最大强度值Imax。
根据本发明的扫描器的控制单元还可以操作以基于所述偏置电流Ibias的强度的测量值来调整被传递至所述光源的驱动电流的值或驱动电压的值，使得所述光电二极管中的相应电流强度的水平低于光电二极管电流强度阈值，并且通过PNP双极结型晶体管的相应电流强度的水平低于晶体管电流强度阈值。
此外，在根据本发明的扫描器的实施例中，所述控制单元还可以操作以基于所述偏置电流Ibias的强度的测量值、数字化偏移电流强度Io的接收值和所述数字化发光强度信号的接收值，经由所述第二数模信号转换器来设置所传递的偏移电流强度Io的值。所述扫描器还可以具有如下的控制单元，所述控制单元能够操作以切断所述光源、然后获取数字化发光强度信号并设置偏移电流的值，以使所获取的数字化发光强度信号接近于零，从而补偿由于杂散光引起的电流强度。所述扫描器还可以具有如下的控制单元，所述控制单元还能够操作以向所述光源供电，然后形成数字化发光强度信号分布I(t)，检查在所述测量时间区间Δtmeas之后获取的数字化发光强度信号的值是否接近于零，并在检查值不接近于零的情况下进一步设置偏移电流的值以使在所述测量时间区间Δtmeas之后又获取的数字化发光强度信号的值接近于零，然后控制所述扫描器在所述激发时间区间Δtex期间照射所述发光材料、在所述测量时间区间Δtmeas内获取至少一个相应的数字化发光强度信号分布I(t)、并将所获取的各数字化发光强度信号分布存储在存储器中。优选地，所述扫描器可以具有其控制单元，该控制单元还能够操作以根据所存储的数字化发光强度信号分布来确定所述发光材料的衰减时间的值。此外，所述控制单元还可以操作以在所确定的衰减时间值与衰减时间的参考值相匹配的情况下判定为所述发光材料是真实的。
在根据本发明的扫描器的实施例的上述变形中的任一变形中，照射光源可以包括平面型LED，所述光电二极管可以是平面型光电二极管，并且所述平面型LED和所述平面型光电二极管可以相邻安装且在所述扫描器的鼻件的平面型支撑构件上布线，以照射所述发光材料并收集相应发光，从而使得所述鼻件能够被设置成靠近所述发光材料以在不需要光导的情况下提高照射和发光收集效率。优选地，所述扫描器具有其照射光源，该照射光源包括串联布线在所述支撑构件上的多个平面型LED以及并联布线在所述支撑构件上的多个平面型光电二极管。
此外，在根据本发明的扫描器中，通过驱动电流强度、或驱动电压的值(取决于被调整以适合光源的供电)来设置激发光的强度以使得检测到的发光信号是可接受的(即，在光传感器的可靠操作的范围内)，允许获得可靠的发光强度并且对于各发光强度分布具有相同的激发时间，因此与相同的激发时间相对应的多个强度分布可以用于获得具有更好准确度的(可能归一化的)分布。
如果发光强度值在发光强度值的给定范围内，则可以由控制单元判定该发光强度值是可接受的。例如，发光强度值可以高于光传感器的检测阈值，并且低于光传感器的饱和阈值，即，在光传感器的可靠检测范围内。发光强度值的范围还可以确保测量到的发光强度的信噪比高于阈值，并且光传感器在相应的测量操作期间不饱和。
以下将参考附图来更全面地描述本发明，其中相同的附图标记在不同的图中表示相同的元件，并且示出本发明的突出方面和特征。
附图说明
图1是响应于激发照射而从发光材料接收到的发光强度信号的典型形状的图示。
图2是根据本发明的实施例的用于检测来自发光材料的发光的光传感器的电路的示意图。
图3是根据本发明的图2的光传感器在还连接至偏置电流传感器的情况下的电路的示意图。
图4示出根据本发明的、包含图3的光传感器的扫描器的电路方案。
图5示出根据本发明的实施例的集成了具有平面型LED的光源和具有平面型光电二极管的光传感器的紧凑型扫描器鼻件。
图6示出图5的光源的电路方案。
图7示出图5的光传感器的电路方案。
具体实施方式
为了获得能够从标记的发光材料检测弱发光强度信号(以允许获取发光强度分布I(t)并且根据该分布准确地计算发光材料的衰减时间特性)的高灵敏度光传感器，开发了特定电子电路，该特定电子电路使得在已经将激发光的强照射传递到标记之后不久快速恢复(即，去饱和)的光传感器的高灵敏度光电二极管成为可能，使得可以在照射结束之后很快始对由标记的发光材料响应于该激发而发射的发光强度信号的准确检测，同时(弱的且降低的)发光强度信号仍然接近于发射强度的最大值(即，紧接在照射脉冲结束之后)，即使是在光电二极管被布置成非常接近于发光材料的发射表面的情况下也是如此。
图1示出响应于激发照射的来自发光材料的发光强度信号的典型形状。激发光的强脉冲(具有在激发波长范围内的波长谱，例如利用FLED、即“泛光LED”)首先在激发时间区间Δtex期间照射包括发光材料的标记，然后，作为响应，发光材料发射(发射波长范围内的)发光，其强度在时刻t0的照射结束时达到最大值Iem。由于强照射，该值Iem一般高于与用于检测发光发射的光传感器的光电二极管的饱和阈值相对应的最大强度值Imax。通常，随时间的发射发光强度信号IL可以通过降低的指数曲线IL＝Iem exp(-(t-t0)/τ)来拟合，其中τ是作为所考虑的特定发光材料的特性的衰减时间值。一般地，光电二极管仅从t0处的照射结束之后的时刻t1开始准确地检测发光强度信号，一旦处于不饱和状态，就检测发射发光强度的相应值I1，并且在所发射的降低的发光强度下降到低于与光电二极管的噪声阈值(低于该值，则测量到的强度值不够准确)相对应的最小强度值Imin(接近于零)之前的测量时间区间Δtmeas期间，在相应后续时刻t2……tN连续检测发光强度I2(t2)……IN(tN)。例如，为了说明表述“接近于零”的含义，在图5和7上示出具有五个光电二极管D5～D9的光传感器，最小强度Imin的典型值是暗电流强度的约5倍，即对于约20V的反向(偏置)电压，最小强度Imin的典型值为约5x5nA＝25nA。因此，测量到的发光强度值I1(t1)……IN(tN)可用于(经由曲线拟合或插值方法)确定发光强度分布I(t)，根据该发光强度分布I(t)，可以确定特征衰减时间参数τ的值(如本领域众所周知的)。实际上，为了获得τ的更可靠统计(平均)值，照射-检测周期被重复一定次数以获取多个发光强度分布。作为示例，我们提及一种发光材料，其可以用红外(IR)波长范围内(即，包括在约700nm与1mm之间，例如约900nm)的照射光来激发，其中照射脉冲与约100μs的激发时间区间Δtex相对应，并且在几毫秒(例如，约4ms)的测量时间区间Δtmeas的情况下，该发光材料发射红外(IR)范围(例如，约900nm)中的发光。根据发光材料，发射的IR发光具有衰减时间特性τ(衰减时间常数)，该衰减时间特性τ的范围可以在约几μs和几ms之间(例如，在15μs和10ms之间)。
为了获得在图2上仅以一个光电二极管(1)示出的上述高灵敏度快速恢复的光传感器，光电二极管模块包括：光电二极管(1)，其被安装成在光电导模式(即，反向偏置光电二极管)下以通过低噪声、快速瞬态响应的偏置调节器(2)施加在其阴极上的正高压Vb进行工作；以及反相跨阻抗放大器，其包括运算放大器(3)，该运算放大器(3)的反相输入端子连接到光电二极管(1)的阳极，并且非反相输入端子接地。反相跨阻抗放大器还包括连接在运算放大器(3)的反相输入端子和输出电压端子(4)之间的反馈电阻器Rf和与该反馈电阻器Rf并联的反馈电容器Cf(这里，Rf和Cf分别表示电阻器元件及其电阻值、以及电容器元件及其电容值)。反向偏置使得光电二极管的p-n结的耗尽层的宽度增高，结果是该结的电容降低，并且响应时间减少(因此高频性能提高)。
反馈电阻器Rf用于设置反相跨阻抗放大器的(高)增益，而(小值的)反馈电容器Cf用于提高稳定性。当用发光照射时，光电二极管(1)将光电流强度Ip传递至运算放大器(3)，该运算放大器(3)在输出端子(4)处传递相应的输出电压Vout。根据本发明，为了显著减少光电二极管(1)的总恢复时间，即使在光电二极管被设置成靠近发光材料的表面(运算放大器继而不能排空所有电流)的情况下，PNP双极结型晶体管(5)进一步并联连接在反馈电阻器和反馈电容器之间，其集电极C接地，以排空在光电二极管传递强电流并随着输出光电压接近反向偏置电压Vb而饱和时出现的浪涌电流，因此允许缩短光传感器的去饱和时间(PNP“辅助”运算放大器排空电流)。使集电极C接地还减少了由于照射脉冲停止时的光电流变化导致的对运算放大器的供电(未示出)的干扰所引起的振铃效应。例如，向运算放大器(3)和晶体管(5)供电的电压调节器(未示出)通常产生约500mA的巨大电流，并引起振铃。晶体管(5)的发射极E和基极B与反馈电阻器Rf和反馈电容器Cf并联，基极B连接到输出端子(4)。如图所示，运算放大器的增益由反馈电阻器Rf的值设置，但是它也是主要噪声来源(振铃效应)。通过使集电极C接地，偏置调节器不受到扰动，并且振铃效应被大大降低。这种配置对于需要高增益(大的Rf值)的利用低光强度水平照射的光电二极管特别方便。由于这种电路配置，允许与照射-测量周期兼容的快速切换速度，可以从测量到的发光强度获得较短的衰减时间特性(这是因为较早地检测强度)，可以检测到由于标记中的发光材料的数量较低而引起的弱强度信号(这是因为在光电二极管开始检测时信号尚未衰减太多)，因此光传感器的灵敏度提高。此外，增加被传递至发光材料的激发脉冲强度(以检测由于发光材料的量减少而引起的发光发射水平)产生由光电二极管(1)传递的强光电流。然而，光电二极管在输出光电压接近反向偏置电压Vb时饱和，而可以通过通过地排空光电二极管中的浪涌电流(这是因为PNP晶体管耗尽浪涌电流)来避免运算放大器的饱和。
优选地，为了消除由于偏置调节器(2)(试图在照射-测量周期内使偏置电压维持在值Vb处而)引起的电压变化，两个电容器C1和C2串联安装并连接在光电二极管(1)的阴极和地之间(以阻止由于脉冲引起的偏置电压变化导致偏置电流Ibias的AC变化)，并且接地电阻器Rg连接在运算放大器(3)的非反相输入端子与两个电容器C1和C2之间的端子之间。此外，电阻器Ro可以进一步连接到光电二极管(1)的阳极，并且被设置成吸收偏移电流并使测量到的偏移电流强度Io转移到某个可靠范围。
如图3所示，光传感器还可以包括用于测量被传递至光电二极管(1)的偏置电流Ibias的强度的偏置电流传感器(6)，该偏置电流传感器(6)连接在偏置调节器(2)的输出电压端子Vb和光电二极管的阴极之间。通过限制激发照射的水平，这种偏置电流传感器对于控制光电二极管(1)中的电流强度水平是必需的，并且避免损坏光电二极管(该电流强度可以达到高值，例如300mA或更高)。
图4示出根据本发明的、包含图3所示的光传感器的扫描器的电路方案。扫描器包括用于将可变的驱动电流或驱动电压传递至光源(8)的电源(7)。该光源(8)在由电源(7)供电时可以用激发波长范围(被调整以适合发光材料)内的激发光来照射发光材料(未示出)，在激发时间区间Δtex期间，光源(8)能够操作以利用具有根据电源(7)所传递的驱动电流或驱动电压变化的激发光强度的激发光来照射发光材料。
扫描器还包含图3的光传感器，在用光源(8)照射发光材料并且由光电二极管(1)检测到相应的发射发光时，所述光传感器能够操作以将输出电压信号Vout传递到连接至输出电压端子(4)的ADC(9)(“模数信号转换器”)的输入端子。该ADC(9)将在测量时间区间Δtmeas内接收到的输出电压信号Vout转换为相应的数字化发光强度信号。
该扫描器还包括控制单元(10)，该控制单元(10)连接至偏置电流传感器(6)以接收偏置电流Ibias的强度的测量值，并且还连接至控制总线(11)。
控制单元(10)通过设置驱动电流或驱动电压的值以及激发时间区间Δtex的值、经由连接在电源(7)和控制总线(11)之间的第一DAC(12)(“数模信号转换器”)来控制电源(7)。
控制单元(10)还通过进一步连接至控制总线(11)的ADC(9)以及第二DAC(13)这两者来控制光传感器，以设置测量时间区间Δtmeas的值并在测量时间区间Δtmeas的值内获取发光强度信号、并形成数字化发光强度信号分布I(t)，其中，所述第二DAC(13)与连接至光电二极管(1)的阳极的偏移电阻器Ro相连、并且进一步连接至控制总线(11)，以将偏移电流强度Io转换为数字化偏移电流强度。
控制单元(10)还能够操作以控制电源(7)，从而基于接收到的发光强度信号来调整被传递至光源(8)的驱动电流的值或驱动电压的值，使得与所接收到的发光强度信号相对应的发光强度值低于与光电二极管(1)和运算放大器(3)的饱和阈值相对应的最大强度值Imax。
图5示出根据本发明的实施例的、具有尺寸为8×8mm的正方形形状的紧凑型扫描器鼻件的图，其中，具有串联布线的四个平面型LED D1～D4的光源、以及具有并联布线的五个平面型光电二极管D5～D9(这里是快速响应光电二极管)的光传感器被集成在平面型支撑件上(它们被胶合到支撑件)。这种并联布线允许达到用于光检测的高灵敏度水平。这里，光电二极管具有750nm至1100nm的谱灵敏度范围、1mm2的辐射灵敏度面积、5ns的上升和下降时间、11pF的电容、在波长λ＝870nm处的芯片谱灵敏度为0.65A/W、1nA的暗电流、和20V的反向电压。这种紧凑的鼻允许将LED和光电二极管定位成非常靠近包括发光材料的标记的表面，因此在使杂散光最小化的同时避免了任何光导和相应的损耗。例如，这种鼻形照射-检测头允许每200ns测量发光强度信号，并且在测量时间区间Δtmeas内通常获取30至40个值。
作为示例，测量周期包括以下步骤：
-预备步骤，用于(经由DAC(13))设置偏移，其中在不通过光源(8)进行激发照射的情况下，扫描器的光传感器检测光以获取强度分布I(t)。这允许消除由于杂散光引起的光电流强度信号的分量。
-由光源(8)传递照射光脉冲，其中照射光脉冲用于设置脉冲的幅度，使得检测到的最大光电流强度(衰减开始时的Iem)低于与光传感器的饱和阈值相对应的最大强度值Imax。然后，还检查并且可能(经由DAC(13))设置偏移电流强度Io，使得测量到的光电流强度的最小值非常接近于零。
-在后续步骤中，进行在激发时间Δtex内用激发光进行照射以及在测量时间区间Δtmeas内获取发光强度信号的周期，以获得(并存储)数字化发光强度分布I(t)(通常约为100)，并且对所述分布计算均值，该均值转而用于计算相应的(测试)衰减时间特性τ。
-然后通过将计算值τ与发光材料的参考值τref进行比较来进行验证的最后步骤：在(相当)匹配的情况下，包括发光材料的标记被认为是真实的，如果不是相当匹配的，则标记被认为是伪造的。在该示例中，可以测量约100至120μs的衰减时间值。利用约30μs的衰减时间值的成功测量，已经测试了其它示例。
以上公开的主题被认为是说明性的，而非限制性的，并且用于提供对由独立权利要求限定的本发明的更好的理解。

Claims (13)

1.一种用于检测从发光材料接收到的发光的光传感器，包括：
偏置调节器(2)，其能够操作以传递偏置电压Vb；
光电二极管(1)，其具有连接至所述偏置调节器(2)的阴极，使得所述光电二极管(1)由所传递的偏置电压Vb而被反向偏置，所述光电二极管(1)能够操作以在光电导模式下响应于在给定光电二极管谱范围中的接收到的发光而传递光电流强度Ip；
反相跨阻抗放大器，其包括运算放大器(3)以及所述运算放大器(3)的反相输入端子和输出电压端子(4)之间的反馈电阻器Rf和与所述反馈电阻器Rf并联安装的反馈电容器Cf，所述运算放大器(3)的反相输入端子连接至所述光电二极管(1)的阳极并且能够操作以将所传递的光电流强度Ip转换为所述输出电压端子(4)处的输出电压信号Vout；
其特征在于还包括：
PNP双极结型晶体管(5)，其发射极E和基极B与所述反馈电阻器Rf和所述反馈电容器Cf并联连接，其基极B连接至所述输出电压端子(4)并且其集电极C接地。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述偏置调节器(2)是低噪声、快速瞬态响应偏置调节器。
3.根据权利要求1或2所述的光传感器，还包括串联连接至所述光电二极管(1)的阴极并且接地的电容器C1和C2、以及连接至所述运算放大器(3)的非反相输入端子和所述电容器C1和C2之间的端子的接地电阻器Rg，其中，所述电容器C1和C2以及所述接地电阻器Rg被调整以消除由所述偏置调节器(2)引起的电压变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光传感器，还包括连接在所述偏置调节器(2)的输出电压端子和所述光电二极管(1)的阴极之间的偏置电流传感器(6)，所述偏置电流传感器(6)能够操作以测量被传递至所述光电二极管(1)的偏置电流Ibias的强度。
5.一种用于在用激发波长范围内的激发光照射时检测来自发光材料的发光的扫描器，所述发光材料发出发射波长范围内的所述发光，所述扫描器包括：
电源(7)，其能够操作以传递可变的驱动电流或驱动电压；以及
光源(8)，其连接至所述电源(7)并且能够操作以在用所述电源(7)所传递的驱动电流或驱动电压供电时用所述激发波长范围内的所述激发光来照射所述发光材料，在激发时间区间Δtex期间，所述光源(8)能够操作以产生具有根据所传递的驱动电流或驱动电压变化的激发光强度的所述激发光，
其特征在于还包括：
根据权利要求4所述的光传感器，其能够操作以在用所述光源(8)照射所述发光材料并且检测到相应的发射发光时将输出电压信号Vout传递到连接至输出电压端子(4)的模数信号转换器(9)的输入端子，所述模数信号转换器(9)能够操作以在测量时间区间Δtmeas内将所述输出电压信号Vout转换为数字化发光强度信号；以及
控制单元(10)，其连接至偏置电流传感器(6)以接收偏置电流Ibias的强度的测量值、并且进一步连接至控制总线(11)，所述控制单元(10)能够操作以：
通过设置所述驱动电流或所述驱动电压的值以及所述激发时间区间Δtex的值，经由连接在所述电源(7)和所述控制总线(11)之间的第一数模信号转换器(12)来控制所述电源(7)，以及
经由进一步连接至所述控制总线(11)的模数信号转换器(9)以及第二数模信号转换器(13)这两者来控制所述光传感器，以设置所述测量时间区间Δtmeas的值并在所述测量时间区间Δtmeas的值内获取所述发光强度信号，从而形成数字化发光强度信号分布I(t)，其中，所述第二数模信号转换器(13)连接至与光电二极管(1)的阳极相连的偏移电阻器Ro、并且进一步连接至所述控制总线(11)以将偏移电流强度Io转换为数字化偏移电流强度，
其中，
所述控制单元(10)还能够操作以接收所述发光强度信号，并控制所述电源(7)以调整被传递至所述光源(8)的驱动电流的值或驱动电压的值，使得与所传递的发光强度信号相对应的发光强度值低于与所述光电二极管(1)的饱和阈值相对应的最大强度值Imax。
6.根据权利要求5所述的扫描器，其中，所述控制单元(10)还能够操作以基于所述偏置电流Ibias的强度的测量值来调整被传递至所述光源(8)的驱动电流的值或驱动电压的值，使得所述光电二极管(1)中的相应电流强度的水平低于光电二极管电流强度阈值，并且通过PNP双极结型晶体管(5)的相应电流强度的水平低于晶体管电流强度阈值。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的扫描器，其中，所述控制单元(10)还能够操作以基于所述偏置电流Ibias的强度的测量值、数字化偏移电流强度Io的接收值和数字化发光强度信号的接收值，经由所述第二数模信号转换器(13)来设置所传递的偏移电流强度Io的值。
8.根据权利要求7所述的扫描器，其中，所述控制单元能够操作以切断所述光源(8)、然后获取数字化发光强度信号并设置偏移电流的值，以使所获取的数字化发光强度信号接近于零，从而补偿由于杂散光引起的电流强度。
9.根据权利要求8所述的扫描器，其中，所述控制单元还能够操作以向所述光源(8)供电、然后形成数字化发光强度信号分布I(t)，检查在所述测量时间区间Δtmeas之后获取的数字化发光强度信号的值是否接近于零，并在检查值不接近于零的情况下进一步设置偏移电流的值以使在所述测量时间区间Δtmeas之后又获取的数字化发光强度信号的值接近于零，然后控制所述扫描器以在所述激发时间区间Δtex期间照射所述发光材料、在所述测量时间区间Δtmeas内获取至少一个相应数字化发光强度信号分布I(t)、并将所获取的各数字化发光强度信号分布存储在存储器中。
10.根据权利要求9所述的扫描器，其中，所述控制单元还能够操作以根据所存储的数字化发光强度信号分布来确定所述发光材料的衰减时间的值。
11.根据权利要求10所述的扫描器，其中，所述控制单元还能够操作以在所确定的衰减时间值与衰减时间的参考值匹配的情况下判定为所述发光材料是真实的。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的扫描器，其中，照射光源(8)包括平面型LED，所述光电二极管(1)是平面型光电二极管，并且所述平面型LED和所述平面型光电二极管相邻安装且在所述扫描器的鼻件的平面型支撑构件上布线，以照射所述发光材料并收集相应发光，从而使得所述鼻件能够被设置成靠近所述发光材料以在不需要光导的情况下提高照射和发光收集效率。
13.根据权利要求12所述的扫描器，其中，所述照射光源(8)包括串联布线在所述支撑构件上的多个平面型LED以及并联布线在所述支撑构件上的多个平面型光电二极管。
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