CN1457475A - 改进发光特性的检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的方法和实施所述方法的装置，用于验证载有发光标记化合物的安全文件或物品，该化合物显示时间延迟发光特征。该方法允许对特征发光参数进行快速提取，例如发光强度和时间常数。该方法对环境光的干扰不敏感，并降低了光学滤波的需求。
Description
发明领域
本发明属于安全文件和物品领域。它涉及一种确定该文件或物品真实性的方法。特别地，它涉及载有发光特性的安全文件或物品，和一种用于对发光辐射强度和所述发光性能特性进行定量测量的装置。
发明背景
发光化合物是众所周知的钞票，有价证券和其它安全物品保护的安全成分。该化合物可放在安全物品的衬底内，通过油墨印在安全物品上，或者以安全线，箔或者携带签的形式贴到安全物品上。
发光安全成分的检测是众所周知的技术且在大量的专利中有所描述。US5918960描述了假钞检测装置，根据激励发光的UV灯和两个光电管，来测量与背景发射强度相比较的发光强度。在发光检测中的特殊问题是对来自通常较强的背景信号中的微弱发光信号进行识别，这是由环境光引起的。调制激励和同步检测的使用使克服上述困难成为可能。
US5608225描述了一改进的荧光检测装置和方法，它们使用调制激励源，光电管和相位检测器，用来对背景信号进行抑制。US4257299，US5548106，US5418855和US5574790进一步描述了基于调制激励的检测设备。US3656835教导了恒定UV激励源和调制磁场的联合使用，用以从发光的磁性三重状态中产生和检测调制发射。US5315993和US5331140提出了利用激励源多于一个的调制频率，例如对不可见荧光的条形码进行读取的多路技术的发光延迟检测。US5548124和US5757013提出通过产生激励信号和背面接收发光响应信号的调制产品来测量发光延迟次数。
现有技术的基于调制的发光检测系统与环境光影响相混，环境光与检测器本身的光源不具有相同的调制频率和相位。另一方面，它们对它们本身的调制频率非常敏感。一些调制激励光在样品表面具有明显的反向散射且通过光学过滤系统泄漏进检测器光电管。没有光学过滤系统对偏离频带的光成分具有100％的拒绝。因此将与发光响应具有相同频率的剩余激励光加到检测到的信号强度上。在弱发光信号的情况下，上述背景信号阻碍了对发光信号强度的正确识别。
因为背景信号依赖于衬底的反射率，其随发光信号强度而独立变化，所以这将有较多的干扰。在钞票识别真伪的情况下，衬底反射率明显依赖于外部因素，诸如污秽和磨损，如果在反射背景信号和真实发光信号之间没有差异，将使得检验钞票真实性变得困难。
本发明公开了一种克服现有技术缺点的方法和装置。
特别地，它公开了一种在反射激励信号和发光信号之间进行识别并选择性测定发光强度的方法和装置。
本发明更进一步提供对发光强度和背景反射的独立性进行定量测定。
它进一步允许导出绝对或相对发光强度，并以编码和识别的目来开发它们。
发明概述
本发明公开了测定发光强度的方法，以摆脱环境光和反向散射激励辐射的影响。它依赖于使用至少一个发光化合物，该化合物显示了时间延迟发射特性，也就是在打开激励光源后，光发射的依赖时间增加，且在关闭激励光源后仍发射延迟光信号。这种诸如时间函数的发光的典型发光响应如图1所示：a)示出了波长λ1的脉冲激励信号的强度与时间；b)示出了发光检测响应的强度与时间。上述检测响应至少包括三部分：(1)渗透光学滤光系统的波长λ1的反向散射的辐射，(2)在激励期间发射的波长λ2的发光辐射，和(3)在激励后发射的波长λ2的发光辐射。
检测器的反向辐射(1)的存在使获得实际发射光强度的精确绝对测量诸如通过其“上升部分”(2)和其“延迟部分”(3)的反射变得困难。特别是在弱发光和高激励强度情况下，例如在必须检测向上转换的荧光体的情况下。
根据本发明的方法克服了这个问题，结合附图2来举例说明。如图1所示，激励光源周期性地开和关。净发光强度的测量值可通过利用下述方法获得上升和延迟部分。
可将激励光源的开关开和开关关之间的上升间隔(A)再分成至少相等的两倍间隔。检测器信号在上述时间间隔累积以获得每个间隔的值。然后计算第一和第二信号之间的差异。因为时间间隔是相等的，连同另外本背景辐射(环境光)一起，可将反向散射激励辐射的泄漏影响(1)去除。因为发光，剩余的信号强度是唯一的。
在附图2的实施例中，例如，可以将上升部分(A)完全再分为两个相等的时间间隔(t1，t2)。将在时间间隔t2期间的累积信号强度减去时间间隔t1的累积信号强度。反向散射，背景辐射和引起错误的其他光影响的影响总称为反向散射影响1。通过减去强度值，可获得仅代表发光强度的净信号值。
可替换地，可将上升间隔(A)部分再分成两个相等的时间间隔(t5，t6)，上述时间间隔短于前边的时间间隔(t1，t2)，且位于上升间隔(A)的开始和末端附近。从时间间隔t6的累积信号强度中减去在时间间隔t5期间的累积信号强度。取消了反向散射，背景辐射的影响，留下仅代表发光强度的净信号值。如果必须利用一个和相同的检测设备来分析具有不同特性上升时间常数的几种发光物质的话，则特别适合使用这种替换的解决方法。
同样地，可将激励光源的开关关之后的延迟间隔(D)再分成至少两个，最好相等的时间间隔。在所述时间间隔期间累积检测器信号，且在稍后和较早之间的至少一个差异信号，形成相等的时间间隔。由于时间间隔相等，将减去另外的本背景辐射(环境光)。因为荧光发射的存在，剩余的信号是唯一的。
在附图2的实施例中，可将延迟间隔(D)整个再分成两个相等的时间间隔(t3，t4)。将在时间间隔t4期间的累积信号强度减去时间间隔t3的累积信号强度。抵消了背景辐射的影响，留下仅代表发光强度的净信号值。
可替换地，可将延迟间隔(D)部分再分成两个相等的时间间隔(t7，t8)，上述时间间隔短于前边的时间间隔(t3，t4)，且位于延迟间隔(D)的开始和末端附近。从时间间隔t8的累积信号强度中减去在时间间隔t7期间的累积信号强度。取消了背景辐射的影响，留下仅代表发光强度的净信号值。如果必须利用一个和相同的设备来分析具有不同特性延迟时间常数的几种发光物质的话，则特别适合使用这种替换的解决方法。
因此本发明的方法依赖于发光的使用，此发光显示了时间延迟辐射特性，且通过合适的对上升和延迟信号观察间隔和相应的累积信号不同值的形成的细分，提供在环境光辐射和检测器本身的反向散射激励辐射的内部补偿。这允许对弱发光强度的定量化评价。
根据目前的教导，本领域技术人员能容易导出和实施公开方法的其他变形，特别地，这依赖于提取的发光特征多于两倍的间隔，也依赖于对不同尺寸时间间隔的观察。
本发明公开了适合测定发光强度和其他发光特征的检测装置，以摆脱环境光和反向散射激励辐射的影响。上述这种装置连同至少一个显示时间延迟特征的发光特征的发光化合物一起，依赖于本发明方法的实施。
附图2b更详细地解释了如何将两个诸如t5和t6的时间间隔从彼此中减去：在t5和t6期间，测定导致反向散射以及其他错误的强度值1a和1b。当时间t5和t6相等时，1a和1b的值相等。
t5期间的总强度值包括值1a和2a。t6期间的总强度值包括值1b和2b。然而，当在发光初始阶段由发光材料导致的强度值2a相当低时，且在发光周期的末端2b值相当高时，(2b-1b)减去(1a+2a)的推导结果就非常接近2b的值。通过在辐射周期的开始取少量的样t5和在辐射周期的末端取另一样t6，可能会获得合成信号，其相当于发光强度的高值。当然，可决定增加一个取样周期的长度。例如，如果t6应当是t5的两倍长，通过在t6期间测量的强度值除以2获得精确值，以补偿更长的时间周期。
附图3给出了本发明的上述检测装置和实施上述方法的功能框图的示意图。上述检测装置包括作为光源(LD/LED)的至少一个激光二极管或光发射二极管，用于激励受测试(S)的样品的发光标记(M)。上述检测装置进一步包括至少一个带存储器(Mem)的微处理器(μP)和至少一个模数转换器(A/D)，和至少一个检测通道。上述检测通道包括光电二极管(PD)，后面有互阻抗放大器(T)，高通电子滤波器(HP)，低通电子滤波器(LP)和第一信号放大器(A1)。将信号放大器A1的输出接入开关单元，包括由单位增益(+1)和开关单元(S+)的非反向放大器组成的正支路和由单位增益(-1)和开关单元(S-)的反向放大器组成的负支路。将开关单元(S+，S-)的组合信号输入积分器(I)，后面有第二信号放大器(A2)。信号放大器A2的输出最终将输入微处理器(μP)的模数转换器A/D中。
检测装置包括至少一个，然而最好是两个或更多的检测通道，以提供从标记中不同发光的故意混合引起的发光信号强度的相对比较。另外的光学或电子元件可存在在检测装置或其各自的检测通道中，例如聚焦或集光镜头，光学滤波器，电子滤波器等等。图3中的一些功能块也与相同的电子电路单元一起合并。
上述激励光源(LD/LED)和上述开关单元(S+，S-)通过上述微处理器(μP)控制，使得检测单元通过上述微处理器的相应程序执行任意和具体应用的取样周期。
对微处理器(μP)进行明显编程以执行下面的操作：
1、重复开关激励光源(LD/LED)以确定时间间隔，
2、根据预先建立的取样计划开和关正负开关单元(S+，S-)，
3、利用微处理器的A/D转换器，至少以一些现存通道的数字形式读取检测到的信号值，
4、执行数学处理且与步骤3中读取的信号值的参考值进行绝对或相对比较，
5、根据受测试样品的真实或者非真实指示做出步骤4的结果。
上述检测装置可进一步作为独立单元使用，利用预存储的参考值以独立方式操作来确定受测试样品的真实性，或者，可替换地，通过信息传送链与中央，安全数据服务器相连。上述中央服务器包括真实的参考值并可执行一些微处理器(μP)的操作，特别地如上述步骤4和5指出的操作。
本发明也公开了一安全系统，包括发光化合物的混合物，能使用上述检测装置和方法来进行识别。上述发光化合物的混合物可并入油墨内且印在安全文件或物品上，或者模压成塑料或在纸张之间层压，用于箔，安全线，信用卡，身份证或进入证等的生产上。上述安全系统可明显地用于保护钞票，贵重文件，官方文件，卡，运输票和所有类型的有商标的货物。
必须注意的是，根据本发明的方法和装置需要考虑大大降低光学滤波的需求。如果在延迟间隔期间进行发光响应的检测，这里没有任何激励信号存在，那么不必特别保护光电二极管以不受激励光的影响。简单的褶皱型45°光束分光器可足够分离发射光的波长。当它们通过Lippmann全息摄影术和相关技术批量生产时，这种滤波器是有利的。
在特殊情况下，可设想没有任何光学滤波器的工作，和利用本发明的方法和装置，与发光延迟特征的分析一起，设想在通过选择合适的激励源和合适的光电二极管来唯一依赖已经实现的波长识别。在上下文中，应感兴趣地注意到也可利用大多数LEDs作为可选择的波长，尽管效率有点低，和光电二极管。当为了降低光电检测器对激励源的较长波长的光的敏感性，与上升转换的荧光体一起工作时，这特别有用。因为在市场上有大量的不同颜色的LED，从靠近UV的范围，从可见降到IR覆盖整个光谱范围，有许多可用来给需要它们的人选择的潜在光电二极管。
实施例
通过附图和实施例来进一步描述本发明。
图1示出了在本发明中使用的发光化合物的激励信号和检测发光响应的典型的时间演变图：a)波长λ1的激励信号的强度与时间；b)检测响应信号的强度与时间。检测响应信号包括：(1)渗透光学滤过滤器系统的波长λ1的反向散射的辐射，(2)在激励期间发射的波长λ2的发光辐射，和(3)在激励后发射的波长λ2的发光辐射。
图2示出了根据本发明检测方法的原理图，
图3示出了根据本发明的检测设备和实施本发明方法的电路框图，
图4示出了本发明一实施例的光学部分的示意图，包括一激励IR-LED和两个检测通道：a)使用非成像光学的方案；b)使用成像光学的方案，
图5示出了根据本发明的一检测通道的电子实施例的电路图。
图6示出了开关单元的激励信号(E)和控制信号(P1，P2)的时序图。
一种实施本发明方法的安全系统和相应的检测装置均可如下实现。选择发光化合物上升转换为Y2O2S：Er，Yb和Y2O2S：Tm，Yb磷。在900到980纳米波长范围内通过强烈的红外辐射激励这些物质。经过双光子激励过程，它们发射出较短波长的光，在绿色，550纳米区域为铒物质，且在靠近红外，800纳米区域为铥物质。相应的发光强度累积和延迟的时间常数特性具有50到500微秒的顺序；它们明显地依赖于发光物质的精确特性。
根据附图3，4和5构建检测装置。激励源为一商业上可得到的GaALAs IR-LED，用于遥控应用。所选择的装置，OPE5594S，在每±10°的半角度的球面度发射120mW的光功率。波峰发射940纳米的波长和45纳米的半宽度光谱。
附图4a示出了检测装置的光学系统的示意图。上述IR-LED的光通过45°的介质分光器(BS1)装入聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸脂(PMMA)的锥形喷嘴(N)，且集中在要测试(S)的样品的发光标记(M)上。上述锥形喷嘴(N)明显地充当非成像光学集中器(接受角度变化)的角色，在其宽端接受低强度的接近平行的光，且传递高强度的光，但在其窄端传递离散光。相反，它在末端收集大范围的离散光的集中点，且在宽端传递已冲淡的接近平行的光束。光束分光器BS1是高通型，具有900纳米的45°截断波长。
标记(M)包括上述在预设的比率下的两个上升转换荧光体，且当在用上述900到980纳米发射IR-LED的光的高强度激励时，发射出上述两个550纳米和800纳米的更短波长的发光辐射。上述辐射光通过锥形喷嘴(N)的在宽接受角被收集，在第一个45°的光束分光器BS1处“平行”和偏转。具有700纳米的45°的截断波长的长通型的第二45°介质光束分光器(BS2)，分离出发射的发光响应的550纳米和800纳米的组分。通过光学800纳米的带通滤波器(F1)，将800纳米组分装进硅光电二极管(PD1)中；通过光学550纳米的带通滤波器(F2)，将550纳米组分装进GaAsP光电二极管(PD2)中。
可替换的光学系统的布局如附图4b所示。窄角度发射IR-LED的基本平行光束光线通过两个二向色的45°光束分光器(BS1，BS2)被传送且通过将聚焦镜头(L)集中在受测试的样品的发光标记(M)上来聚光。因此将标记M设置在镜头L的焦平面上。通过标记M发射光以响应由镜头L收集的900到980纳米的激励光并作为平行光线传送回第一45°的光束分光器(BS1)上。该光束分光器是45°褶皱滤波器类型且朝向第一光电二极管(PD1)反射大约800纳米的第一窄波段。剩余的光束落在第二45°的光束分光器(BS2)。该光束分光器也是45°褶皱滤波器类型且朝向第二光电二极管(PD2)反射大约550纳米的第二窄波段。降低IR光激励源的反向反射强度的光学滤光器(F1，F2)，可任意插到光电二极管(PD1，PD2)的前面。
附图5示出了检测装置的一个检测通道电子部分的实施例。它依赖于PIC 16F877型的微处理器。该微处理器为检测装置的所有检测通道所共有。检测器电子依赖于廉价的电子组件；也就是低噪声可操作的放大器可以是NE5532型(每套两个单元)，且开关单元可以是4066型(每套4个单元)。
可以是硅，GaAsP或者任何其他类型的光电二极管，以光电模式被利用并将其信号传递到对称互阻抗放大器级(IC1：A)。上述互阻抗放大器级后面有第二放大器级(IC1：B)，它通过电容耦合传递其输出到正的和负的开关单元(IC3：A，IC3：B)。对正开关单元(IC3：A)来说，可直接使用IC1：B的输出信号；对负开关单元(IC3：B)来说，将首先通过一模拟转换级(IC2：B)送入IC1：B的输出信号。将开关单元(IC3：A，IC3：B)的组合输出输入到一积分器端(IC2：A)，且积分信号进入PIC处理器的模拟-数字转换器(A/D)。开关单元(IC3：A，IC3：B)的控制信号(P1，P2)通过PIC处理器产生。
根据上面的教导，对本领域技术人员来说，很容易构思检测装置进一步的实施例，特别地，可具有多于一个的激励光源，或者多于两个的检测通道。
我们的实施例装置的操作频率选择为1kHz，与激励开始和激励结束的时间间隔具有相同的长度。然而，这不是一个必要条件；可同等选择其他的开/关频率。
附图6示出了开关单元的激励信号(E)和控制信号(P1，P2)的有用的时序图的例子。附图6a示出了方波激励信号(E)和发光响应(R)。附图6b示出了利用“开关单元”的控制信号(P1，P2)对发光响应(R)的“上升”部分进行取样的例子。附图6c示出了对发光响应(R)的“延迟”部分进行取样的例子。附图6d示出了对发光响应(R)的“上升”部分进行取样的可替换的例子。
通过组合合适的不同取样方案，本发明的方法和装置对发光响应(R)的“上升”部分和“延迟”部分的发光强度和特征时间常数都允许提取信息。
Claims (27)
1、一种验证安全标记的方法，其包括将该标记暴露激励的发光化合物，所述发光化合物通过激励光源被激励并测定发光强度，
其中在暴露到激励光源期间或者之后，在所选择的时间(t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8)间隔期间测量光强度值，在将另外时间间隔收集的强度值减去在该时间间隔期间收集的强度值之后，相减的结果代表从发光物质发射的光。
2、根据权利要求1的方法，其中在发光物质激励的初始相位期间选择一个时间间隔(t5)，与由反向散射光，漫射光或其他不导致发射的光而产生的测量光强度(1a)相比较，其用来降低由发光物质的发射引起的光强度(2a)的比例。
3、根据权利要求1或2的方法，其中在由发光物质的发射引起的光强度上升到最大值的相位期间，选择第二个时间间隔(t6)。
4、根据权利要求2或3的方法，其中一个时间间隔(t5，t6)的持续时间短于发射周期(A)的25％。
5、根据上述任何一个权利要求的方法，其中该标记包括一个或多个发光化合物，该化合物对在两个不同频率和强度值下的发射光取样，用于所述频率的光发射。
6、根据权利要求5的方法，其中将所述不同频率的强度值进行比较。
7、根据上述任何一个权利要求的方法，其中在将标记暴露到辐射期间对光强度取样。
8、根据上述任何一个权利要求的方法，其中在将标记暴露到辐射之后对光强度取样。
9、根据上述任何一个权利要求的方法，其中在时间段(t1到t8)期间的光强度值被积分。
10、一种标记和验证安全文件或物品的方法，所述方法依赖于使用至少一个发光化合物，所述发光化合物通过激励光源而被激励，并在打开激励光源后显示发光强度的累积，和在关闭激励光源后显示发光强度的延迟，所述方法的特征在于：
所述发光化合物为安全文件或物品的一部分，和
所述激励光源在第一个时间间隔(T1)被打开，在第二个时间间隔(T2)被关闭，和
在时间间隔(T1)或时间间隔(T2)或两者内的两个随后的时间间隔(T3，T4)期间，测量至少一个发光波长的至少两个发光强度值，和
从彼此中减去至少所述测量的发光强度值的两个，以获得净发光强度值，将其与参考值进行比较，作为验证标准。
11、根据权利要求10的方法，其中时间间隔(T3，T4)相同，且包括在时间间隔(T1)内。
12、根据权利要求11的方法，其中时间间隔(T3，T4)为时间间隔(T1)的一半。
13、根据权利要求12的方法，其中时间间隔(T3，T4)相同，且包括在时间间隔(T2)内。
14、根据权利要求13的方法，其中时间间隔(T3，T4)为时间间隔(T2)的一半。
15、根据权利要求10到14任何一个的方法，其中重复开和关所述激励光源，且对其中所述发光强度值进行重复测量和相减，以获得累积净强度值，将其与参考值进行比较，作为验证标准。
16、一种验证安全文件或物品的装置，所述文件或物品携带至少一个发光化合物，所述发光化合物通过激励光源被激励并在打开激励光源后显示发光强度的时间累积，和在关闭激励光源后显示发光强度的延迟，所述装置包括至少一个激励光源，至少一个光电检测器通道，和至少一个微处理器，所述装置的特征在于：
所述激励光源在所述微处理器的控制下能在第一时间间隔(T1)期间打开并在第二时间间隔(T2)期间关闭，和
所述光电检测器通道包括至少一个光电检测器，当光源照射时产生模拟输出信号，和至少一个信号取样单元，在所述微处理器，非反向(P1)和反向(P2)部分的分别控制下能进行取样和积分，在时间间隔(T3，T4)期间，所述光电检测器输出信号产生至少一个净输出信号，且
所述微处理器能进行数字化和存储所述至少一个净输出信号。
17、根据权利要求16的装置，其中时间间隔(T3，T4)相同，且包括在时间间隔(T1)内。
18、根据权利要求17的装置，其中时间间隔(T3，T4)为时间间隔(T1)的一半。
19、根据权利要求18的装置，其中时间间隔(T3，T4)相同，且包括在时间间隔(T2)内。
20、根据权利要求19的装置，其中时间间隔(T3，T4)为时间间隔(T2)的一半。
21、根据权利要求13到20任何一个的装置，其中重复开和关所述激励光源，且对其中所述信号取样单元进行重复取样并累积所述光电检测器输出信号，以获得至少一个累积净强度值。
22、根据权利要求20到21任何一个的装置，其中所述至少一个净输出信号或者所述至少一个累积净输出信号通过所述微处理器与至少一个内部存储的参考值局部进行比较，以取得验证信号。
23、根据权利要求20到22任何一个的装置，其中所述至少一个净输出信号或所述至少一个累积净输出信号通过通讯链连接到远程服务器而被发送，与至少一个存储的参考值进行比较，以取得和返回一验证信号。
24、一种安全系统，包括多个具有时间延迟发射特性且最好具有不同发射波长的激励标记，以不同的比例合并进油墨或塑料材料，用于产生安全的文件或物品，根据权利要求20到23任何一个的装置，该系统最好具有相应数目的检测通道，以测定所述安全文件或物品的真实性。
25、一种验证装置，包括一发射辐射光到标记上的装置，一在至少两个时间间隔期间测量光强度的装置，减去光强度值并提供执行根据权利要求1到13任何一个的方法的输出信号的装置。
26、根据权利要求25的装置，包括一测量两个或更多光频率范围的光强度的装置。
27、一种系统，包括一根据权利要求25或26的验证装置和一合成物，该合成物用来产生安全标记，该安全标记包括通过所述验证装置进行检测的发光物质。
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