CN1187895A - 一种用于检测如钞票或有价证券等页片材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测页片材料的装置,具有一照明装置,用于在被检测的整个光谱范围内连续对页片材料进行照明,还有一接受装置,其至少具有二条线性平行CCD阵列。在各CCD阵列上设置有用于透过某一光谱区域光的滤光器。各滤光器经过选定,以便使至少一个滤光器工作于可见光谱区和至少另外一个工作在不可见光谱区。为检测由页片材料漫反射或透射的光,各CCD阵列从接收到的光中产生电信号,电信号随后在评价装置中进行处理并同参考数据进行比较,以实现对所述页片材料的检测。

Description

一种用于检测如钞票或有价证券等 页片材料的装置和方法

本发明涉及一种用于检测页片材料，例如钞票或有价证券的装置和方法。

专利文献EP-A0537513示出了一种检测钞票合法性的装置，为达到检测目的，首先用发光二极管以色光(红色和绿色)，以及位于红外光谱区的光对钞票进行照射。发光二极管以顺序脉冲导通方式工作，以便在某一时刻，钞票仅被一种色光或红外光谱区的光所照射。所述发光二极管位于钞票的两侧，由钞票透射或反射的光由一个单线CCD阵列探测并转换成被随后处理的电信号。

通过使用一线性CCD阵列，可以在钞票上获得一相对较高的局部分辨率。然而不足之处：在于由对钞票采用不同色光或红外光谱区的光照射而带来的高额设备开销。还有一个特殊的问题是：在不同色光或红外光谱区的光中如何平衡光照级别。

专利文献DE-OS3815375示出了又一种用于检测页片材料合法性的装置，它由多个相似的模块构成，每个模块拥有自己的白光照明装置和一个线性光电二极管阵列。而且，在各模块前方有用于透过例如红，绿，蓝等色光或红外光谱区域的光的滤光器。

为对页片材料进行检测。由照明装置发出的光经过相应模块的滤光器并照射所述页片材料。被所述页片材料漫反射的光通过所述模块的滤光器并由线性光电二极管阵列检测。光电二极管阵列将入射来的光转换成相应的信号并随后进行处理。

通过对不同色光或红外光谱区的光使用类似模块进行处理，一方面保证了所述装置的修理非常方便，同时另一方面，这也造成了相对较高的设备费用。由于使用了光电二极管阵列，所以页片材料可以在其整个宽度上得到扫描，但是所获得的分辨率比较而言较低。

在这些前提下，本发明提出一种用于检测页片材料的装置，该装置能在多个光谱区域内，以相对低廉的设备费用和较高分辨率对页片材料进行检测。

该问题依据主权利要求所述的特征来解决。

本发明的基本思想主要在于：所述装置具有能够对被测页片材料在全光谱范围连续照射的照明设备。为了对透过页片材料或经其漫反射的光进行探测，使用了具有至少二个线性平行CCD阵列的接收装置。在每个CCD阵列上安装有滤光器，用以使某一光谱区域的光线通过。在选定各滤光器时应保证至少其中之一能使可见光谱区内的光可以透过同时至少还有另一个滤光器能让非可见光谱区的光穿过。各CCD阵列将接受到的光转化成电信号，然后在一评价装置中进行处理并同参考数据进行比较，以便对所述页片材料进行检测。

本发明的优点在于，照明装置和接受装置所需成本很低，各CCD阵列以及相应的滤光器可以紧凑方式设置在一载体上且制造成本很低。由于使用了多个CCD阵列，所以可以在所述页片材料的整个宽度上以高分辨率同时对多个不同的光谱区域进行探测。

在本发明的一个最佳实施例中，所述接收装置具有4个带有滤光器的平行的CCD阵列。滤光器可透过红、绿、蓝色光谱区的光以及红外光谱区的光。

在对所述页片材料进行检测时，可以利用例如所述红、绿和蓝色光对页片材料上的可见印刷图案进行检测，同时可使用在红外光谱区域探测到的信号对页片材料的脏度进行检测。

所述照明装置假定最好能在一个二维的照明范围内均匀地照射所述页片材料，这样做可使在CCD阵列的各图像元件上进行不同照明级别修正所需的设备费用最小化。

本发明的其他特征可在独立权利要求和从属权利要求中找到，下面将结合有关附图对本发明的一些实施例进行描述，其中：

图1所示为本发明第一实施例的正视图。

图2所示为本发明第一实施例的侧视图。

图3所示为本发明第一实施例的平面视图。

图4所示为所述接收装置的一个优选实施例的示意图。

图5所示为在传输方向上一个均匀照明装置的示意图。

图6所示为在垂直于传输方向的均匀照明装置的示意图。

图7所示为评价装置的示意图。

图8所示为带有处于可见光谱区内的印刷图案的页片材料。

图9所示为带有处于不可见光谱区内的印刷图案的页片材料。

图10所示为带有处于可见光谱区内的污点和裂痕的页片材料。

图11所示为带有处于不可见光谱区内空白区(free area)的页片材料。

图1所示为本发明第一实施例的正视图。页片材料在一照明区内，在受检的整个光谱区上受到照明装置20连续照射。随后，接收装置30探测到由页片材料10反射回的光100。照明装置20和接收装置30最好设置在垂直于页片材料10的轴线上。照明装置20允许来自页片材料的光在被接收装置检测到之前自其通过。

照明装置20可以选择地带有一个背照明装置40，用于从与接收装置30相对的一侧照射页片材料10。由背照明装置40发射的光经过页片材料之后由接收器30检测。

接收装置30主要由光学单元31组成，该光学单元将页片材料上的照明区域至少部分地映射到光敏传感器32上。

传感器32具有至少二个相互平行的线性CCD阵列，各CCD阵列上安装有滤光器，其中至少有一个可通过可见光谱区光的滤光器和一个可通过不可见光谱区光的滤光器。

在传感器32的一个最佳实施例中，如图4a所示传感器32具有4个设置在载体34上的CCD阵列Z1-Z4，每个CCD阵列具有多个设置在列S.1-S.N上的图像元件33，各CCD阵列Z1-Z4以距离D1彼此平行设置。图4b示出4个线性滤光器，至少一个滤光器工作在可见光谱区以及另一个滤光器工作在不可见光区。图4c所示为传感器32的平面图，传感器32上包括带有CCD阵列Z.1-Z.4的载体34以及设置于CCD阵列之上的线性滤光器F.1-F.4。每个CCD阵列上覆盖有工作于某一光谱区的滤光器。

传感器32具有紧凑结构，载体34的侧长至多为几个厘米，由于传感器32具有相对而言较低的制造成本，所以当CCD阵列Z.1-Z.4中某一个发生了损坏时，可以很容易用一个新传感器进行替换。

图中还示出了具有2个光源21和22的照明装置20，光源21，22可以连续发射某一光谱范围的光，该光谱范围最好与被测光谱范围相一致，所述光源可以使用例如白炽灯21，22。

由于光源21和22的辐射特性，页片材料10的照明区域在页片材料传输方向以及传输方向的垂直方向上的照度不均匀，这种效果对页片材料10产生的漫反射光以及传感器32检测的照度级别均有不利影响，而且在经传感器32检测之后很难再做补偿。

为避免这一问题，最好对页片材料10上的照明区域进行均匀照射。为实现该目的，最好能有包括一个柱面反射镜部分23和多个反射镜24，25的反射器对光源21，22发射的光进行反射。这样，可实现页片材料在垂直于传输方向的宽度B和传输方向的长度L的照明区域上照度均匀。

反射镜部分23具有宽度B以及在宽度B方向上的焦线F，光源21，22设置于反射镜部分23的焦线F上，反射镜部分23的基线的形状可使光源21和22发射的光均匀照射在宽度为B，长度为L的照明区域上。

反射镜23的基线的形状如图2所示，类似于一个椭圆形，与椭圆反射镜不同，反射镜部分23仅有一条焦线F，而椭圆反射镜的第二焦线被反射镜23的形状所改变，使得照明区域在页片材料所在平面的L区的长度上照度均匀。

图5a示出了反射镜部分23形状上二种可能的变形，在第一种变形中，反射镜部分23的基线位于假想的椭圆内，而在第二种变形中，反射镜部分23的基线位于假想的椭圆之外。因为在此所选定例子中，这种差异之小使观察者无法辨识，所以此处未将假想的椭圆示出。投射到页片材料10上的光包括直射光部分200和反射光部分210，在这二种变形中，椭圆形状的差异使得照度水平在所述照明区域的长度L上照明均匀，如图4b所示。

而且，如图1所示的反射器，具有位于反射镜部分23内部的二个平面形状的内侧反射镜24和二个位于反射镜23端部的外侧平面反射镜25。反射镜24，25与反射镜部分23的焦线F垂直设置，而且内侧反射镜24和外侧反射镜的反射镜面分别朝向光源21，22。

图6a示出了反射镜24和25对光源21和22发出的光作用的情况。由于光源21，22分别设置在二反射镜24和25之间，光源21，22发出的光被多重反射，产生很多类似21.1，21.2等以及22.1，22.2等的虚拟光源。因此，在宽度方向上对照明区域进行照明的光由B21区域和B22区域内的直射光部分和虚拟光源B21.1，B21.2和B22.1，B22.2等发出的光线组成。这样就在所述照明区域的宽度方向上产生了事实上的均匀照明，如图5所示。

由于由反射镜部分23，内侧反射镜24和外侧镜25所构成的反射器的特殊设计，由光源21和22发出的光发生改变，使照明区域在宽度B和长度L上均得到均匀照射。最后将宽度B选定为至少与所述页片材料10同宽，这样页片材料10可以在整个宽度上被扫描。均匀的照明区域由位于传感器32上的光学装置31所映射，以便传感器32被以一均匀的反射背景均匀照射。因此避免了对不均匀照射的修正。

为保护反射器不被弄脏和弄湿，可以选择地使用上部窗口26和下部窗口27将其封闭。

为防止窗口26，27的反射光部分进入接收装置30。可以对窗口26，27的相应表面进行晕化处理，而且，还可以在反射器内设置屏28，选择其合适的形状以便对偏离光部分进行反射，图3所示为屏28的一种可行的形状，然而问题的解决更多的是取决于反射镜23，24和25或窗口26，27以及光源21，22的布置方式。

对于特殊应用场合，可将窗口26或27或是二者都制成工作于某光谱区的滤光器。

在图1中还显示了作为照明装置20一个部分的背照明装置40。背照明装置40以发光二极管阵列做为光源并从远离接收装置30的一侧照射页片材料10，为避免弄脏，背照明装置40可以选择地封闭在窗口42中。如果必要的话，窗口42也可制成为一个滤光器，以便将背照明装置40限制在某一光谱区内。该光谱区最好选定在红外区以便例如对页片材料10的脏度进行测量。

为了防止光源21和22发出的，位于背照明装置40光谱区的光照射到页片材料10上，可以在反射器内选择地设置一个滤光器43。采用这种方式可以把漫反射光测量与透射光测量结合到一起。例如可以从可见光的漫反射中检测页片材料10的可见印刷图案并同时从红外光区的透射光中对页片材料10中的水印进行检测。

如果光源21和22产生了背照明装置40的光谱区内的光并入射到了页片材料10上，则从脂点光电计，可以探测出例如在水印区域页片厚度的变化情况。这一效应可以用来测量页片材料水印区域的脏度。

对于页片材料10的检测而言，可以如上所述利用照明装置20对某一照明区进行均匀照明。随后，利用接收装置30的光学单元31，照明区域可以至少部分地映射到传感器32上。在此入射光100被滤光器F.1-F.4过滤并被CCD阵列Z.1-Z.4转化成电信号。每个CCD阵列具有设置在列S.1-S.N上的N个图像元件33。图像元件的数量N很大。页片材料10上的局部分辨率可达到与一边长＜0.5mm的正方形相对应。假设所需最大宽度B为120mm，则每CCD阵列的图像元件的个数N应当≥240。

为了使图像元件33给出具有足够信噪比的信号，它们必须接收一定数量的光粒子并将其转化成光电子。在分辨率一定，页片材料10和CCD阵列32之间距离一定，曝光时间一定，以及物镜的f数一定的条件下，用于产生一定量光电子所需的所述页片材料10的照明级大致与CCD阵列上图像元件33的敏感表面成反比。

页片材料10的照明级仅可在一定限度内变化。这是因为这一变化依赖于照明装置20的最大照明级，而最大照明级又受一些物理效应的限制，例如在发光过程中的发热和散热等情况。因而这里假设照明装置20的最大照明级是恒定的。

图像元件33的敏感表面的尺寸可以根据曝光时间进行优化。曝光时间主要取决于页片材料10在传输方向上的期望局部分辨率，在此分辨率为0.5mm，以及页片材料的期望传输速度。在期望传输速度为5m/s的情况下，曝光时间为0.0005/5＝0.0001s。如果所使用的光源为一个小于20W的白炽灯，则在照明时间为0.0001s情况下，图像元件33的敏感表面的优化尺寸为70×70μm。对于通常使用的CCD阵列，这个尺寸大约是13×13μm，本发明中使用的CCD阵列比普通情况使用的CCD阵列敏感25倍。如果需要的话，可按其他的精度要求或传送速度对敏感表面的尺寸进行优化。

CCD阵列的各图像元件33的电信号按次序1，2，…N经一放大器进行放大，并随后由一个数模转换器转换成为数字信号。在曝光时间为0.0001s和每个CCD阵列的图像元件33的数量N为240的情况下，每个数字化数据项的处理时间为大约0.4μs。在更高的局部分辨率或更高的传输速度情况下，处理时间可以更短。

由接收装置30传递的数字信号经数据线300送至所示评价装置40，评价装置如图7所示包含二个部分。

第一部分为修正单元50，用于对各图像元件33的数字化数据进行标准化处理并将各CCD阵列Z.1-Z.4的列S.1-S.N的图像元件33的相应数据组合入数字化数据项中并将其与页片材料10的某一区域相对应，这一标准化过程是通过加或乘修正变量实现的。

修正单元50包含至少一个数字化数据处理器，在所提供的用于图像元件33的大约0.4μs的处理时间内完成修正计算，最好为每个CCD阵列Z.1-Z.4提供一个数字化数据处理器。

通过对由图像元件33传递的数字化值进行加法修正，可以对各图像元件暗敏感性方面的同设计有关的差异进行补偿。相应的加法修正变量可以根据暗度测量来确定。

在同一照明级别下测得的光照强度的差异首先是源于各图像元件33具有不同的敏感度或是源于照明上的小的不规则性。这些差异可以通过用适当的乘法因子对数字化数据进行相乘来实现。该乘法因子可以通过对一白色参考物的(理想的白色表面)的测量来决定。所述白色参考物可以利用例如页片材料10后的白色背景来实现，并在二个页片材料之间的间隔缝隙中被测量。另一种方法是随时插入一个页片材料形式的白色参考物并对其进行测量。

此外，照明时间也可能变化，由于例如所述装置的控制循环波动或是所述页片材料在传送系统内的滑动，为对这种变化进行补偿，可以再次用适当的乘法因子对数字化数据进行倍增，可以通过对设置在页片材料10附近并在页片材料10检测过程中被接收装置连续测量的白参考物的测量，来确定所述的乘法因子。页片材料10的图像元件33的数字化数据被标准化为在白参考物29上测定的照度，以消除因光照时间变化而产生的影响。

各CCD阵列Z.1-Z.4最好是以恒定的间隙D1平行地设置，距离D₁可以是图像元件33的边长的整数倍。修正单元50可以存贮一定数量的图像元件数据以便补偿图像元件对页片材料10测量期间的时间漂移。修正单元50将布置不同传感器阵列Z.1-Z.4的列(例如S1，S2等)上的图像元件33的数字化数据连接成为一个数字化数据项，以便该数据项包含有关页片材料10的具有一定精度的图像元件不同光谱区信息。这些数据随后通过数据线310传送评价装置40的第二部分。数据线310可以输送大约170MBd的数据量。如果必要的话，数据量还可以增加。

评价装置40的第二部分为图像处理单元60，它可以将修正单元50传来的数字化数据组合成二维图像并存贮起来。所存贮的图像数据可以做一些变动，例如绕某个轴转动或进行压缩。而且，有关图像数据的颜色信息也可由一种颜色系统转化到另一个系统(例如由RGB转化成HSI)。

为此，可以在图像评价单元60中存储一些表，表中在一列中存有一种颜色系统的输入值以及在另一列中存有另一颜色系统的相应转换输出值。利用这些表可以实现颜色信息的简单，快速转换。

对于页片材料10的检测而言，上述变化后的图像数据在图像评价单元60中与相应参考数据进行比较。根据一致的程度，可以确定出用于不同检测的特性。

图8示出了一页片材料10的例子，示意性地示出了钞票上可见光谱区内的印刷图案。页片材料10具有一些在红外光谱区不透光的特征项，这包括例如顺序号11，安全线12以及印刷图案14。此外，页片材料10还具有在可见光谱区不透光但在红外光谱区透光的印刷图案15，图9所示为在红外光谱区具有相应印刷图案的页片材料。

根据可见的印刷图案，可以确定出例如页片材料10的长，宽等形式特性或其表面特性，也可以推出页片材料的类形和传输位置的特性。此外，还可以在可见和非可见光谱区确定印刷图案一致性特性。

图10所示为带有污点16和裂痕17的页片材料10，由此可以确定污点17的数目特性或根据所述可见印刷图案与相应参考数据的比较确定印刷图案的相似变化。此外还可以得出页片材料10的形式和完整性的特性，以及有关裂痕17的数量特性。

为确定页片材料10的脏度特性，可以利用如图11所示的红外印刷图案中的空白区18，由于空白区18大于可见印刷图案内的空白区，因此可以获得相对可靠的有关脏度的特性。

如上所述，所述装置的又一优点在于可以从检测数据中推出一大批有关特性，如果需要的话，专家还可从检测数据中推出更多的，在此未加以清楚描述的特性。

所确定的特性最好经数据线320传至更高级的控制单元70。该单元参考检测中确定的特性，决定如何进一步处理页片材料10以及其他一些问题。如果需要的话，也可在评价装置40中完成这一决策。

如果将所述装置用于一钞票处理机中，进行页片材料的检测，那么根据所述装置的特性和/或钞票处理机其他部分的特性，控制装置70可将页片材料10导入一个特定分类箱或是用于销毁的粉碎器或是导入钞票处理机的其他部分中。

Claims (30)

1.一种用于检测页片材料的装置，具有：

一照明装置，用于以光线照明所述页片材料，

一接收装置，用于接收页片材料的漫反射光和/或透过页片材料的光，并将其转化为相应的电信号，

一评价装置，用于处理所述信号并将其同参考数据进行比较，以对页片材料进行检测，

其特征在于：

所述照明装置(20)在被检测的整个光谱范围内对所述页片材料连续照明，

所述接收装置(30)具有至少2个线性的平行CCD阵列(Z.1-Z.4)，

每个CCD阵列(Z.1-Z.4)具有一个能使某一光谱区光通过的滤光器(F.1-F.4)，以及

至少一个在可见光谱区工作的滤光器(F.1-F.4)以及至少一个在非可见光谱区工作的滤光器(F.1-F.4)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收装置(30)具有4个带有滤光器(F.1-F.4)的CCD阵列(Z.1-Z.4)，所述滤光器(F.1-F.4)分别传输所述光谱区内一定波长的光，如红，绿，蓝(RGB)，以及红外区域的光(IR)。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CCD阵列具有带有敏感表面的图像元件(33)，敏感表面的尺寸根据给定参数进行优化。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明装置(20)和所述接收装置(30)沿垂直于所述页片材料的轴向布置。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，接收装置(30)上具有一个光学装置(31)，能够将一具有某一宽度(B)和长度(L)的照明区域映射到CCD阵列(Z.1-Z.4)上。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述照明区域的宽度(B)至少与所述页片材料(10)的宽度相等。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述照明区域被均匀照明。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述照明装置(20)具有至少一个反射器和位于反射器中的二个光源(21，22)，

反射器具有一个柱形反射镜部分(23)，该反射镜部分(23)具有一特定宽度(B)和位于所述反射镜部分(23)宽度(B)方向上的焦线(F)，

光源(21，22)设置在反射镜部分(23)的焦线(F)上，

所述反射镜部分(23)的基线形状选定成能使光源(21，22)发出的光可均匀照射在照明区域的纵向方向上，并且

所述反射器在反射镜部分(23)内有二个平面的内侧反射镜和位于反射镜部分(23)端部的二个平面外侧反射镜(25)，反射镜(24，25)与所述反射镜部分(23)的焦线垂直设置并且内侧反射镜(24)和外侧反射镜(25)的反射表面指向光源(21，22)之一，这样就使照明区域在宽度方向上得到均匀照射。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射器由位于内侧反射镜(24)之间的窗口(26)和位于反射器朝向所述照明区域的一侧的窗口(27)封闭。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，至少一个窗口表面被晕化。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，窗口用来做为针对一定波长光的滤光器。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，在反射器内有一个屏(28)用于防止光源(21，22)发出的光从朝向照明区域的窗口(27)上反射入接收装置(30)。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明装置(20)具有一个背照明装置(40)，用于在一特定光谱区对页片材料(10)进行照射。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，由所述照明装置(20)的其他部分发出的对页片材料照射的光，若属于背照明装置(40)特定光谱区域则均被滤光器(43)所阻挡。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述特定光谱区在红外区域。

16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，背照明装置(40)具有一个作为光源的发光二极管阵列(41)。

17.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述背照明装置以窗口(42)封闭。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述窗口(42)为一滤光器。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述窗口(42)是经过晕化处理的。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述评价装置(40)包含二个部分：

一修正部分(50)，用于对由接收单元(30)传送的数字化数据进行标准化处理和/或组合，

一图像处理单元(60)，用于将修正单元传送的数字化数据组合成二维图像并随后对该图像进行变换和/或存贮处理，并将其与参考值进行比较。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于所述修正单元(50)具有至少一个数字化信号处理器以进行计算。

22.一种用于检测页片材料的方法，其特征在于，

所述页片材料(10)在整个被测光谱区被连续照射，

至少在一个可见光谱区和一个不可见光谱区内，被所述页片材料漫反射或透射的光(100)被带有相应滤光器的至少两个平行CCD阵列转化成数字信号，以及

所述数字化信号被处理并与参考数据进行比较以便实现对页片材料的检测。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在处理过程中，所述数字化数据被标准化和/或加以组合。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，在处理过程中数字化数据被标准化处理为一个强度，该强度在检测过程中按白参考物连续测量以便排除因照明时间造成的变化。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在处理过程中数字化数据被组合成一个二维图像，且随后该图像被变换和/或存贮。

26如权利要求25所述的方法，其特征在于，在处理过程中，二维图像的数字化数据的颜色变换是通过所存贮的表完成的。

27如权利要求25所述的方法，其特征在于，在处理过程中，页片材料(10)的类型和传送位置根据二维数字化数据确定。

28如权利要求25所述的方法，其特征在于，在处理过程中，页片材料的形状和完整性由二维数字化数据确定。

29如权利要求25所述的方法，其特征在于，在处理过程中，页片材料的脏度由二维数字化数据确定。

30.如权利要求25所述的方法，其特征在于，在处理过程中，将二维数字化数据同二维参考数据进行比较，并且通过比较可以识别出污点或类似变化。

Images