DE10211310A1

DE10211310A1 - Vorrichtung zum optischen Nachweis von Sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem Material

Info

Publication number: DE10211310A1
Application number: DE2002111310
Authority: DE
Inventors: Robert Maurer; Anton Huber; Stefan Beiergroeslein; Klaus-Werner Triebkorn
Original assignee: Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
Current assignee: SICPA Holding SA
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE10211310B4; AU2003218728A1; WO2003077193A3; AU2003218728A8; WO2003077193A2

Abstract

Vorrichtung zur Verifikation einer Sicherheitsmarkierung, enthaltend flüssigkristallines Material mit einer cholesterischen Reflexionsbande, welche die Sicherheitsmarkierung durch eine Beleuchtungseinheit mit einer oder mehreren spektral eingeschränkten Lichtquellen beleuchtet und das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte oder transmittierte Licht in einer Detektionseinheit auf Zirkularpolarisation prüft, dadurch gekennzeichnet, daß diese keine beweglichen Teile zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie zum Farbwechsel der Beleuchtungseinheit enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Nachweis von Sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem Material anhand der polarisations- und spektralselektiven Transmission oder Reflexion und Ihre Verwendung.
Datenträger mit optisch variablem Sicherheitselement sind bekannt. Z. B. sind aus GB 2268906 (Anmelder: Portals Limited) Sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem Material bekannt, welche anhand von Farbe und Polarisation des transmittierten und reflektierten Lichts identifiziert werden. Beschrieben werden weiter hierzu verwendbare Flüssigkristallformen, die Verwendung von Viertelwellenlängenfolien und Polarisatoren zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie die Herstellung strukturierter Filme.
Aus GB 2282145 (Anmelder: CRL) ist die Herstellung von Sicherheitsmarken aus Pigmenten unterschiedlicher Farbe und Polarisation bekannt, wobei ein erstes Pigment erst bei schräger Betrachtung sichtbar wird und ein zweites Pigment, welches bei senkrechter Betrachtung sichtbar war, unter schrägem Winkel verschwindet.
Aus DE 195 41 028 (entspricht US 5888444; Anmelder: Daimler-Benz) sind Effektlacke für zu lackierende Gegenstände mit Flüssigkristall-Pigmenten, die eine Kennzeichnung zur Erkennung und Charakterisierung des Gegenstandes tragen, beschrieben. Die Kennzeichnung erfolgt dabei über die Oberflächenstruktur der Pigmente mit einer Schichtstärke > 0,5 µm nach dem Prinzip des Barcodes oder durch definiertes spektrales Verhalten oder durch Farbmuster. Beschrieben werden ferner Verfahren zur Herstellung des Effektlackes und der markierten Pigmente.
Aus DE 195 44 130 (entspricht US 6183018 B1; Anmelder: G & D) sind optisch variable Sicherheitselemente aus wenigstens zwei Aufdrucken bekannt. Der erste Aufdruck ist strukturiert mit zum Datenträger kontrastierender Farbe, und der zweite Aufdruck ist mit optisch variablen Pigmenten ohne oder mit nur geringer Körperfarbe ausgeführt und überlagert zumindest teilweise den ersten Aufdruck. Beschrieben werden ferner Herstellverfahren für derartige optisch variable Sicherheitselemente.
Aus US 5596402 (Anmelder: Flex Products Inc.) ist der sogenannte Validator bekannt, ein Handgerät, das über ein Normlicht und zwei Spiegel verfügt, die das Sicherheitsmerkmal unter verschiedenen Winkeln beleuchten und so den Farbflop des Sicherheitselements für das ungeschulte Auge vereinfacht erkennen lassen.
EP 0899120 (Anmelder: Consortium für elektrochemische Industrie) enthält eine sehr detaillierte Beschreibung vieler möglicher Anordnungen zum Nachweis der Echtheit cholesterischer Pigmente mit Reflexion im sichtbaren Spektralbereich. Hierbei werden unterschiedliche Beleuchtungsquellen beschrieben, als spektral selektive Quellen auch Laser und Metalldampflampen, letztere emittieren typischerweise mehrere Linien in einem größeren Spektralbereich und sind somit nur mit zusätzlichen spektralen Filtern einsetzbar. Zur spektralen Selektion wird die Verwendung von Farbfiltern empfohlen, welche über ein Filterrad oder vergleichbare Anordnungen vor den Detektor gefahren werden können. Nicht erwähnt wurden LEDs auf anorganischer oder organischer Basis als Lichtquelle, sowie der besonders einfache Einsatz spektral selektiver Lichtquellen zur Abtastung der cholesterischen Bande. Zur Polarisation werden die bekannten Kombinationen aus Viertelwellenlängenplatte und Polarisatoren beschrieben.
EP 0899119 (Consortium für elektrochemische Industrie) beschreibt weitgehend analog zu EP 0899120 den Nachweis der Reflexion im nicht sichtbaren Spektralbereich.
In Jap. J. Appl. Phys. 29/10, 1990, S. 1974-1984, Schadt und Fünfschilling, wird die Verwendung von TN-Zellen und Viertelwellenlängenretarden zur Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht, sowie zur Inversion in die entgegengesetzte Zirkularpolarisation beschrieben. Die Anwendung bezieht sich ausschließlich auf den Displaybereich, konkret auf sogenannte Projektionsdisplays.
Die Einstellung der Zirkularpolarisation durch einen Linearpolarisator und eine Viertelwellenlängenplatte (VWP) sowie Elemente vergleichbarer Wirkung, deren optische Achsen um 45° zueinander verdreht sind, ist aus den Lehrbüchern der Optik bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, robuste, billig produzierbare Vorrichtung zur Verifikation einer Sicherheitsmarkierung enthaltend flüssigkristallines Material mit einer cholesterischen Reflexionsbande zur Verfügung zu stellen, die die Sicherheitsmarkierung durch eine Beleuchtungseinheit mit einer oder mehreren spektral eingeschränkten Lichtquellen beleuchtet und das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte oder durch diese transmittierte Licht in einer Detektionseinheit auf Zirkularpolarisation prüft.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie keine beweglichen Teile zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie zum Farbwechsel der Beleuchtungseinheit enthält.
Vorzugsweise besitzen die spektral eingeschränkten Lichtquellen eine Bandbreite von maximal 100 nm, besonders bevorzugt eine Bandbreite von maximal 50 nm.
Als spektral eingeschränkte Lichtquelle können beispielsweise eine oder vorzugsweise mehrere LEDs (Licht emittierende Dioden) dienen. LEDs sind heutzutage im sichtbaren und IR Spektralbereich mit diversen Emissionswellenlängen als Pfennigware verfügbar und arbeiten zudem mit geringem Energieverbrauch. Mechanisch bewegte Teile, wie die in den genannten Patentanmeldungen mehrmals beschriebenen Filterräder lassen sich hierdurch vermeiden.
Die Emissionsbandbreite von LEDs ist in der Regel zu groß, um eine detaillierte Abtastung der cholesterischen Bande zu ermöglichen, jedoch ist es ohne weiteres möglich und bevorzugt, mehrere LEDs so auszuwählen, dass die cholesterische Bande des die Sicherheitsmarkierung bildende Materials das Licht einer oder mehrerer spektral verschobener LEDs reflektiert, während das Licht einer oder mehrerer weiterer, spektral verschobener LEDs unreflektiert bleibt. Gleiches läßt sich mit anderen spektral eingeschränkten Lichtquellen durchführen. Die Lichtquellen könne dabei sowohl im ultravioletten, bevorzugt 250 nm bis 380 nm, im sichtbaren, zwischen 380 nm und 780 nm, oder im infraroten Spektralbereich, bevorzugt zwischen 780 nm und 3000 nm emittieren.
Beispielsweise sind drei LEDs so ausgewählt, dass die cholesterische Bande des die Sicherheitsmarkierung bildende Materials das Licht einer ersten LED reflektiert, während das Licht einer zweiten, spektral verschoben emittierenden LED und ggf. auch das Licht einer dritten spektral nochmals verschoben emittierenden LED unreflektiert bleibt oder zumindest wesentlich schwächer reflektiert wird (siehe Fig. 1). Mit im IR emittierenden LEDs läßt sich eine Beleuchtungseinheit für cholesterische Reflektoren aus diesem Spektralbereich erstellen.
Als spektral eingeschränkte Lichtquelle können jedoch auch andere auf einem anorganischen oder organischen Halbleiter basierende Lichtquellen im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich wie beispielsweise Halbleiterlaser (Mini-Lasermodul LDA 300, Bestnr. 184101-62 erhältlich bei Conrad Electronics, Hirschau)oder sogenannte OLEDs (organische LEDs; COVION Organic Semiconductors GmbH, UK)eingesetzt werden, wobei Ihre Emissionswellenlängen vorzugsweise ebenso ausgewählt werden, wie für LEDs beschrieben.
Künftig dürften auch sogenannte Quantumdots (Nanopartikel aus halbleitendem Material) spektral eingeschränkte Lichtquellen ermöglichen.
Erfindungswesentlich ist ferner, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine Detektionseinheit zur Analyse des reflektierten oder transmittierten Lichts besitzt (Fig. 2b). In den zum Stand der Technik diskutierten Patentanmeldungen wird das reflektierte Licht durch Polarisatoren entgegengesetzter Zirkularpolarisation auf zwei getrennten Detektionseinheiten nachgewiesen (Fig. 2a). Dabei kommt es leicht zu einer fälschlichen Anzeige vorhandener Polarisationsselektivität, wenn die Probe farblich strukturiert ist oder leicht schräg steht (siehe Vergleichsbeispiel 1). Vermeiden läßt sich dies nur durch Verwendung eines einzigen Detektors.
Die vorliegende Erfindung vermeidet bewegliche Teile gänzlich durch einen speziellen Aufbau der Detektionseinheit. Die erfindungsgemäße Detektionseinheit umfaßt vorzugsweise einen Analysator und einen Lichtdetektor.
Der Analysator umfaßt vorzugsweise eine schaltbare LC-Zelle erforderlichenfalls mit Viertelwellenlängenplatte und Polarisator und nachfolgender Photodiode als einzigem Detektor, wobei die LC-Zelle mit Viertelwellenlängenplatte und Polarisator in einem Zustand rechts- und im anderen linkshändig polarisiertes Licht transmittiert.
Der Analysator enthält beispielsweise eine Twisted-Nematic- Flüssigkristallzelle (TN-Zelle), zwischen einer Viertelwellenlängenplatte (VWP) und einem Linearpolarisator, derart, dass das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte Licht zunächst die Viertelwellenlängenplatte, anschließend die TN-Zelle und schließlich den Linearpolarisator passiert, ehe es auf einen Lichtdetektor trifft, wobei die optische Achse der VWP unter 45° oder 135° zum Eintrittsdirektor der TN und der Polarisator parallel oder gekreuzt zum Austrittsdirektor der TN-Zelle ausgerichtet ist. Diese Anordnung transmittiert zirkular polarisiertes Licht einer Händigkeit und sperrt die entgegengesetzte Händigkeit.
Das Umschalten zwischen den beiden Polarisationszuständen erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die LC- Zelle ("Off" nach "On"). Das durch die cholesterische Reflexion zirkular polarisierte Licht wird zunächst durch die VWP (10) in linear polarisiertes Licht verwandelt (s. Fig. 3). Als LC-Zelle kann beispielsweise eine TN-Zelle verwendet werden, welche die Polarisation des einfallenden linear polarisierten Lichtes weitgehend unabhängig von Temperatur und Wellenlänge um 90° (Off) oder 0° (On) dreht (11). Eine TN-Zelle ist im Sinne der vorliegenden Erfindung aufgebaut aus den beiden Substraten zum Einschluß des nematischen Flüssigkristalls (Nemat; z. B. ZLI-1565 erhältlich bei E-Merck Darmstadt), einer transparenten Elektrodenstruktur auf den Substraten und darauf einer Orientierungsschicht zur planaren Ausrichtung des Nematen, weiterhin mit Abstandhaltern zur Einstellung der Dicke, schließlich befüllt mit dem Nematen selbst.
Der Linearpolarisator (12) läßt das Licht je nach Polarisationsrichtung schließlich zum Lichtdetektor (9) oder absorbiert es.
Die Steuerung der LED-Lichtemission und der Durchlasspolarisation des Analysators erfolgt vorzugsweise durch einen preiswerten Mikroprozessor, welcher auch zur weiteren Verarbeitung der am Lichtdetektor (9) anfallenden einzelnen Meßwerte verwendet wird.
Vorzugsweise lässt sich der Einfluß des Umgebungslichtes das durch Oberflächenreflexe ein störendes Untergrundsignal bewirken kann, durch eine gepulste LED-Ansteuerung und entsprechende Frequenzfilter eliminieren. Solche Verfahren sind unter dem Begriff "Lock-In-Technik" bekannt.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses besteht darin, die Beleuchtung der Sicherheitsmarkierung durch den Analysator vorzunehmen und so bereits das einfallende Licht zirkular zu polarisieren (Fig. 2c). Da bei der cholesterischen Reflexion die Zirkularpolarisation erhalten bleibt, während sie bei der Reflexion an Oberflächen invertiert wird, gelangt nur der Anteil an reflektiertem Licht zum Lichtdetektor, welcher durch eine cholesterische Reflexion verursacht wurde, dagegen wird der invertierte Teil auf dem Rückweg vom Zirkularpolarisator absorbiert.
Alternativ läßt sich der Detektor so anordnen, daß schräg von der Probe reflektiertes Licht auf ihn fällt (Fig. 2d). Die cholesterische Reflexionsbande tritt hierdurch bei kürzerer Wellenlänge auf, so dass z. B. bei einer LED-Farbe, zu welcher bei senkrechtem Einfall Polarisationsselektivität nachgewiesen wurde, dies nun unterbleibt oder umgekehrt unter schrägem Winkel auftritt, während sie bei senkrechtem Lichteinfall unterbleibt.
Die Erfindung betrifft somit auch eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reflexion des Lichtes einer spektral eingeschränkten Lichtquelle unter schrägem Winkel erfolgt und hierdurch die kurzwellige Verschiebung der cholesterischen Reflexionsbande genutzt wird.
Eine weitere Alternative bietet die Detektion des transmittierten Lichtes bei transparenten Proben unter senkrechter oder schräger Durchleuchtung (Fig. 2e). Das einfallende Licht wird nur im Bereich der cholesterischen Bande zirkular polarisiert, was durch die zuvor beschriebene Anordnung ebenso gut nachgewiesen werden kann. Im Gegensatz zum Reflexionssignal ist die Intensität außerhalb der cholesterischen Bande jedoch nicht minimal sondern maximal, wie bei Reflexion aber für beide Zirkularpolarisationen gleich.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist weitgehend wartungsfrei und erschütterungsunempfindlich. In einer Vorrichtung gemäß Stand der Technik wird immer eine Abtastung der cholesterischen Bande beschrieben, was in der Regel ein teures Spektrometer oder mehrere schmalbandige und teure Interferenzfilter erfordert. Eine breitere Abtastung durch die Emissionsbande von LEDs reicht jedoch vollständig aus, da hierdurch das Charakteristikum der vorhandenen oder fehlenden Reflexion durch den Vergleich von nur zwei Intensitäten beschrieben wird. Da die Bandenform der cholesterischen Reflexion von der Verarbeitung der LC-Pigmente und der nutzungsbedingten Alterung abhängen kann, erscheint eine genauere Abtastung der Bande ohnehin zu fehlerträchtig. Typische LED-Emissionen sind etwa so breit wie cholesterische Reflexionsbanden aus Flüssigkristallen mit einer Doppelbrechung um 0,1.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überprüfung einer cholesterischen Sicherheitsmarkierung wird das Licht der einen LED durch die Reflexion an der cholesterischen Sicherheitsmarkierung polarisiert, während das Licht einer zweiten LED unreflektiert und unpolarisiert bleibt. Diese Anpassung läßt sich selbstverständlich auch über die Winkelabhängigkeit der cholesterischen Reflexion vornehmen. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die cholesterische Reflexion somit minimal durch 4 Intensitäten charakterisiert, nämlich die Intensität des reflektierten Lichtes mit rechts- und linkshändiger Zirkularpolarisation innerhalb und außerhalb der Reflexionsbande. Der hieraus zur jeweiligen Farbe zu berechnende Polarisationsgrad (Hecht Eugene; "Optik"; 1994, Addis. Wesley (D), S 317) kann zwischen 0% (keine Polarisation) und 100% (perfekte Polarisation) variieren, realistische Werte liegen also außerhalb der Reflexionsbande vorzugsweise nahe 0%, besonders bevorzugt zwischen 0% und 5%, und innerhalb der Reflexionsbande darüber, bevorzugt zwischen 5% und 100%.
Alternativ lassen sich auch andere LC-Zellen zur Inversion der Zirkularpolarisation einsetzen (FLC, Pi-Zelle, schaltbare Halbwellenlängenplatte, Inplane-Switching), erscheinen jedoch weniger attraktiv, weil sie entweder komplexer aufgebaut und damit teurer sind oder stärker von Temperatur und Wellenlänge abhängen.
Im Folgenden soll anhand von Fig. 2b bis e die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden. Der erfindungsgemäße Echtheitsdetektor umfaßt eine Beleuchtungseinheit (5). Diese enthält die für die Charakterisierung des gewünschten cholesterischen Flüssigkristalls passenden LEDs. Mehrere LEDs unterschiedlicher Emissionsfarbe und in geringem Abstand voneinander angeordnet sind heutzutage verfügbar, so daß die gesamte Beleuchtungseinheit als Punktlichtquelle betrachtet werden darf. Die Abstimmung erfolgt vorzugsweise so, daß die Emissionsfarbe einer LED innerhalb, die Emissionsfarbe einer zweiten LED außerhalb der cholesterischen Reflexionsbande liegt. Dies läßt sich durch unterschiedliche Emissionsfarbe, cholesterische Reflexionswellenlänge oder Einfallswinkel bewerkstelligen. Bei schrägem Lichteinfall ist die kurzwellige Verschiebung der Reflexionsbande zu berücksichtigen. Hieraus ergeben sich diverse Kombinationen aus Emissionsfarbe, Reflexionsbande und Betrachtungswinkel, die jedoch in EP 899120 (S. 7 Zeile 42 bis S. 16 Zeile 50) und EP 899119 (S. 3 Zeile 52 bis S. 17 Zeile 43) bereits detailliert beschrieben sind. Insoweit wird daher auf diese Anmeldungen verwiesen.
Das Licht der Beleuchtungseinheit fällt auf die cholesterische Sicherheitsmarkierung (6). Dies kann durch eine geeignete Optik oder ein lichtleitendes Element verbessert werden. Der cholesterische Film kann vollflächig aus flüssigkristallinem Material bestehen oder sogenannte LC-Pigmente in einer Matrix enthalten. In EP 899120 und EP 899119 sind bereits zahlreiche mögliche Anordnungen für reflektierende und transmittierende Sicherheitselemente beschrieben.
Das reflektierte Licht wird in der Detektionseinheit (umfassend einen Lichtdetektor (9), eine VWP (10), eine TN-Zelle (11) und einen Linearpolarisator (12)) analysiert.
Dies wird im Folgenden beispielhaft an Fig. 3 erläutert. Jedes der drei Teilbilder a-c beschreibt das Verhalten ohne ("off") und mit ("on") durchgeschalteter Zelle in rechts- (13) und linkshändiger (14) Zirkularpolarisation des einfallenden Lichtes. Wie in Fig. 3a ersichtlich, wird das von der Reflexionsbande des LC Materials der Sicherheitsmarkierung reflektierte rechtshändig zirkular polarisierte Licht in der Detektionseinheit durch eine VWP (10) zunächst in linear polarisiertes Licht verwandelt. Eine anschließende TN-Zelle (11), deren Direktor an der Eintrittsseite gegenüber der optischen Achse der VWP um +45° oder -45° verdreht ist, läßt die Linearpolarisation im durchgeschalteten Zustand ("on") unverändert oder dreht sie ohne Spannung ("off") um 90°. Ein anschließender Linearpolarisator (12), welcher gegen den Austrittsdirektor der TN-Zelle um 0° oder 90° gedreht steht, sperrt die eine Linearpolarisation und läßt die andere hindurch, so daß schließlich auf den Lichtdetektor (9) Licht hoher oder niedriger Intensität fällt.
Bei LC-Material mit linkshändiger Zirkularpolarisation des reflektierten Lichtes (s. Fig. 3b) ergibt sich die höhere Intensität beim jeweils anderen Schaltzustand der TN-Zelle. Unpolarisiertes Licht ergibt am Detektor in beiden Schaltzuständen der TN-Zelle die gleiche Intensität. Da sich linear polarisiertes Licht aus gleichen Anteilen rechts- und linkshändig zirkular polarisiertem Licht zusammensetzt, führt dieses somit ebenfalls zu gleicher Intensität in beiden Schaltzuständen (s. Fig. 3c).
Zirkulare Polarisation liegt somit vor, wenn sich die Intensität zwischen den Schaltzuständen der TN-Zelle bei gleicher LED-Emission stark unterscheiden. Dagegen ändert sich die Intensität bei linearer oder fehlender Polarisation nur wenig.
Anhand von Fig. 4 werden im Folgenden beispielhaft zwei Möglichkeiten der Signalverarbeitung des erfindungsgemäßen Echtheitsdetektors beschrieben. Bei der Messung wird z. B. durch einen Mikroprozessor eine erste LED (z. B. Emissionsfarbe Rot) angesteuert. Am Lichtdetektor (9) liegt dann die Intensität für die eine Zirkularpolarisation an. Nach dem Schalten der TN-Zelle (11) liegt dann das Signal für die entgegengesetzte Zirkularpolarisation an. Beide Werte werden im Mikroprozessor zur späteren Verarbeitung gespeichert. Die Händigkeit der Zirkularpolarisation des reflektierten Lichtes läßt sich daran erkennen, welcher Schaltzustand den höheren Wert ergibt. Das Verhältnis zwischen größerem und kleinerem Wert ist um so größer, je besser das untersuchte Licht zirkular polarisiert ist.
Bei der digitalen Verarbeitung kleiner Integer-Zahlen läßt sich statt dem Verhältnis der Intensitäten auch die Differenz der Intensitäten zur Beurteilung heranziehen. Anschließend schaltet der Mikroprozessor die LED der ersten Farbe aus, die zweite LED (Emmisionsfarbe Grün) ein und ermittelt analog die entsprechenden Werte zu dieser LED und so fort (s. Fig. 4a). Alternativ lassen sich auch zu einem Schaltzustand der Zelle die Intensitäten zu sämtlichen LED-Farben erfassen und anschließend nach dem Umschalten der Zelle die Intensitäten in diesem Zustand (Fig. 4b). Dies hat insbesondere bei der automatischen Prüfung in einem Fertigungsprozess den Vorteil, daß die Anzahl der in der Regel langsameren Schaltvorgänge der Zelle minimiert werden. Diese beiden Erfassungsmuster sollen als Beispiel aus der Vielzahl von Möglichkeiten genügen. Als Prozessor eignen sich alle Typen mit entsprechenden Ein- und Ausgängen zur Steuerung des Ablaufs und der Erfassung der Intensitäten oder entsprechende Kombinationen aus Prozessor und Peripheriebausteinen. Solche Prozessoren und ihre Anwendung sind Stand der Technik.
Der erfindungsgemäße Echtheitsdetektor weist die für die cholesterische Reflexion typischen Eigenschaften der Wellenlängen- und Polarisationsselektivität sowie den sogenannten Farbflopp einer Sicherheitsmarkierung enthaltend cholesterisches Material nach. Diese Eigenschaften lassen sich nur schwer durch andere Materialien nachbilden, so daß bei der Anzeige dieser Eigenschaften durch den Echtheitsdetektor mit hoher Wahrscheinlichkeit auf das Vorhandensein einer echten cholesterischen Sicherheitsmarke geschlossen werden kann. Solche Sicherheitsmarkierungen befinden sich bereits heute auf den Banknoten mehrerer Länder.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich daher beispielsweise um einen Detektor für die Echtheitsprüfung von Banknoten, Datenträgern, Wertpapieren und Ausweisen mit cholesterischen Pigmenten als Sicherheitsmarkierung. Durch die einfache Bauweise des erfindungsgemäßen Echtheitsdetektors und den zu erwartenden geringen Preis, wird eine breite Anwendung möglich. Heutzutage befindet sich an den meisten Ladenkassen eine UV-Lampe, zur Prüfung der Banknoten auf das Vorhandensein von Fluoreszenzmarken. Künftig könnte der erfindungsgemäße Echtheitsdetektor in ähnlicher Weise die Prüfung von Banknoten auf die wesentlich komplexeren Effekte der cholesterischen Reflexion ermöglichen. Weitere Anwendungsbeispiele sind Wertpapiere, Ausweis- und Kreditkarten, Eintrittskarten. Da das Echtheitssignal seinem Wesen nach bereits als ja/nein- Information, also digital vorliegt, eignet sich der erfindungsgemäße Echtheitsdetektor besonders auch für maschinelle Echtheitsnachweise.
Fig. 1 zeigt beispielhaft das Reflexionsspektrum einer Pigmentprobe mit grünem cholesterischem LC-Silicon für senkrechte Betrachtung(1) und die Emission einer blauen (2), grünen (3) und roten (4) LED.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau von verschiedenen Echtheitsdetektoren. Die Winkelangaben beziehen sich auf die Ausrichtung von optischer Achse und Polarisationsrichtung, in Klammern sind alternative Anordnungen angegeben (TN-Zelle jeweils im Off-Zustand):

a) Getrennte Detektion für rechts- und linkshändige Zirkularpolarisation (Stand der Technik);
b) rh/lh-Detektor mit TN-Zelle;
c) rh/lh-Detektor mit Beleuchtung und Detektion durch TN- Zelle;
d) Detektion des Farbflopps;
e) Detektion in Transmission.

Fig. 3 zeigt die Signalentstehung ohne (linke Hälfte, "off") und mit (rechte Hälfte, "on") durchgeschalteter TN-Zelle für rechts- (a) und linkszirkulare (b) Polarisation, sowie für unpolarisiertes und linear polarisiertes Licht (c).
Fig. 4 zeigt beispielhaft zwei mögliche Signalverarbeitungen des erfindungsgemäßen Echtheitsdetektors am Beispiel Rot-Grün- Blau-LEDs: (a) sequentiell nach Farben oder (b) Polarisation.
Elektrische Polarisation durch Ionenwanderung in der TN-Zelle wird durch abwechselnd positive und negative Spannungen vermieden.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1a

Beleuchtungseinheit des Echtheitsdetektors mit RGB-LEDs

Seit einigen Jahren gibt es LEDs mehrerer Emissionsfarben in einem einzigen Gehäuse. Eine derartige RGB-LED (Best. Nr. 185388-62 erhältlich bei Conrad Electronic, Hirschau) wurde als Beleuchtungseinheit benutzt. Das Licht der LED fällt aus geringem Abstand (1 cm) auf das zu untersuchende Substrat und wird von diesem unter nahezu 0° Einfallswinkel zur Detektionseinheit reflektiert. Alternativ wurde das Licht der LED mit einem Lichtleiter (Plexiglas. . . 10 mm ∅) auf das zu untersuchende Substrat geleitet.

Beispiel 1b

Detektionseinheit des Echtheitsdetektors mit einer Photodiode

Da die spektrale Selektivität im erfindungsgemäßen Echtheitsdetektor bereits durch die Verwendung von LEDs als Lichtquelle gegeben ist, muß die Detektionseinheit nur noch die Polarisation des reflektierten Lichtes analysieren. Dies geschieht durch eine VWP (P-V140 erhältlich bei B + W-Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach), deren optische Achse mit der Direktorausrichtung auf der anliegenden Seite der TN-Zelle 45° einschließt. Besagte TN-Zelle wurde aus zwei Glassubstraten hergestellt, welche zuvor mit Polyimid (erhältlich unter der Bezeichnung ZLI-2650 bei Merck, Darmstadt) beschichtet, mit Samt gerieben und unter 90° angeordnet, mit 5 µm-Spacern verklebt und mit einem nematischem Flüssigkristall (erhältlich unter der Bezeichnung ZLI-1565 bei Merck, Darmstadt) gefüllt wurden. Ein Linearpolarisator (PW-44 erhältlich bei B + W- Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach) ist auf der anderen Seite der TN-Zelle parallel zur Direktorrichtung auf dieser Seite der TN-Zelle angeordnet. Ein Photodetektor (51226-8BK erhältlich bei Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, D-82211 Herrsching) mit geeigneter Elektronik dient zum Nachweis der auftreffenden Intensität.
Der gesamte Detektor zeigt somit folgende Intensitäten bei der jeweiligen Polarisation des einfallenden Lichtes an:
In einer alternativen Anordnung sind die VWP oder der Linearpolarisator um 90° gedreht, die einzelnen Signale sind dann jeweils invertiert.

Beispiel 2

Mögliche Signalverarbeitung des Echtheitsdetektors bei einem grünen rechtshändig reflektierenden Pigment mit RGB- Detektion

Zur Identifikation eines speziellen cholesterischen Pigmentfilms stehen für jede LED-Farbe zwei Signale, nämlich die Intensität bei rechts- und linkshändiger Transmission der Anordnung aus VWP, TN-Zelle und Linearpolarisator zur Verfügung (s. Fig. 4). Für das Beispiel eines grünen, rechtshändig reflektierenden Pigments (käuflich erhältlich unter der Bezeichnung Helicone® HC Scarabeus bei der Wacker-Chemie GmbH, D-81737 München) ergibt sich nur für grünes Licht ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Polarisationsabfragen. Kleinere Unterschiede lassen sich durch geeignete Wahl eines Triggerlevels für relevante Unterschiede auf Null setzen. Physikalisch wird der Polarisationsgrad durch eine Division dargestellt, alternativ läßt sich dies auch durch eine Differenz tun. Dies vereinfacht die Signalverarbeitung in Nähe der Maschinensprache einfacher ICs und ist bei der nahezu konstanten Beleuchtungsstärke durch die LEDs der einzelnen Farben durchaus möglich. Im Beispiel ergab die Digitalisierung (8 Bit . . . 0 bis 255) der 6 Einzelintensitäten mit einem Experimentalprozessor (c-control/basic Steuercomputer Typ m Bestellnr. 950602 erhältlich bei Conrad Electronics, Hirschau) folgende Werte (rechts-/linkshändige Polarisationsabfrage . . . rh/1 h):

Rot/rh: 21 = I_R/rh

Rot/lh: 22 = I_R/lh

Grün/rh: 103 = I_G/rh

Grün/lh: 29 = I_G/lh

Blau/rh: 15 = I_B/rh

Blau/lh: 16 = I_B/lh
Eine Programmabfrage zur Echtheit des grünen, rechtshändigen Pigments lautet somit, wie folgt oder ähnlich:
Wenn

[-2 < (I_R/rh - I_R/lh) < 2] und
[-2 < (I_B/rh - I_B/lh) < 2] und
[(I_G/rh - I_G/lh) > 10]

dann "Pigment ist echt!"
sonst "Pigment ist falsch!"
Als Ergebnis zu obigen Meßwerten ergibt diese Abfrage: "Pigment ist echt!" Anstatt das Ergebnis als Text anzeigen zu lassen, kann der Prozessor auch andere elektrische, visuelle oder akustische Signale ausgeben. Im Beispiel wurde eine grüne LED angeschaltet für "echt", eine rote LED für "falsch". Denkbar wäre auch ein einmaliges Piep für "echt", wiederholtes Piepen für "falsch" etc.

Vergleichsbeispiel 1

Echtheitsdetektor mit RGB-LED und getrennter Polarisationsdetektion

Alternativ zu Beispiel 1b fällt das von der Probe reflektierte Licht auf einen rechtshändigen Zirkularpolarisator (Typ P- ZN/R, erhältlich bei B + W-Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach) und einer Photodiode, bzw. einem linkshändigen Zirkularpolarisator (Typ P-ZN/L, erhältlich bei B + W- Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach) und einer Photodiode (Fig. 2a). Für vollflächig cholesterische Filme auf schwarzem Untergrund ergab sich ein Polarisationsgrad von bis zu 60%, während Papier als Substrat einen Wert nahe 0% ergab. Trotz des geringen Abstands zwischen den einzelnen LEDs war es schwierig die beiden Detektoren gleichmäßig zu beleuchten und so eine Falschanzeige von Polarisation zu vermeiden. Eine schwarz und weiß bedruckte Probe ließ sich so anordnen, daß sich die Intensitäten an den beiden Detektoren ähnlich unterschieden, wie bei vorhandener Zirkularpolarisation und so eine Polarisation vorgetäuscht werden konnte.

Beispiel 3

Echtheitsdetektor mit RGB-LEDs unter schräger Beleuchtung und einem einzigen Polarisationsdetektor

Die in Beispiel 1a beschriebene Beleuchtungseinheit aus einer RGB-LED wurde so angeordnet, daß das zum Detektor gelangende Licht an der Probe mit einem Einfallswinkel von 40° reflektiert wurde (Fig. 2d). Die cholesterische Reflexion eines grünen Pigmentfilms verschiebt sich hierdurch von Grün nach Blau. Die Signalauswertung nach Beispiel 2 ergibt nunmehr für die blaue LED eine hohe Differenz zwischen den beiden Polarisationszuständen und geringe Differenz für Grün und Rot.

Beispiel 4

Echtheitsdetektor für IR

Anstatt der in Beispiel 1a beschriebenen RDG-LED wurden 2 Infrarot-LEDs (IR) aufgebaut, welche bei 850 nm (Best. Nr. 186961-62 erhältlich bei Conrad Electronic, München) und 950 nm (Best. Nr. 436488-62 erhältlich bei Conrad Electronic, München) emittieren. In der Detektionseinheit nach Beispiel 1b wurde der Polarisator durch eine für den IR-Bereich geeignete Type (Typ 9-IR2, erhältlich bei B + W-Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach) ersetzt, als Viertelwellenlängenplatte im IR diente ein Halbwellenlängen-Retarder für den sichtbaren Bereich (Typ P-V280, erhältlich bei B + W-Filter, Schneider Optische Werke GmbH, Bad Kreuznach). Die Reflexionsbande des verwendeten, vollflächigen, cholesterischen Films lag bei 850 nm, die langweilige Kante bei 900 nm. Der Polarisationsgrad ergab sich zu immerhin 30% bei der (850 nm)-LED und zu 10% bei der (950 nm)-LED. Für die Anwendung eines zu Beispiel 2 analogen Beurteilungsschemas wurde das Triggerlevel entsprechend erhöht.

Beispiel 5

Echtheitsdetektor mit Transmission durch die Probe

Aus einem grünen, rechtshändig reflektierenden, cholesterischen Flüssigkristall (siehe Beispiel 1.4 in EP 899120) wurde zwischen Glasplatten durch Scherung ein dünner, vollflächig orientierter, cholesterischer Film präpariert. Die Beleuchtungseinheit nach Beispiel 1a wurde nun so angeordnet, daß ihr Licht senkrecht durch den Film auf die Detektionseinheit nach Beispiel 1b traf (Fig. 2e). Folgende Intensitäten ergaben sich für die einzelnen LED-Farben und Polarisationszustände (8 Bit- Digitalisierung):

Rot/rh 130 = I_R/rh

Rot/lh 133 = I_R/lh

Grün/rh 32 = I_G/rh

Grün/lh 127 = I_G/lh

Blau/rh 125 = I_B/rn

Blau/lh 124 = I_B/lh
Die Echtheit dieses Films wurde mit folgender Abfrage geprüft:
Wenn

[-4 < (I_R/rh - I_R/lh) < 4] und
[-4 < (I_B/rh - I_B/lh) < 4] und
[(I_G/rh - I_G/lh) < -10]

dann "echt!"
sonst "falsch!"

Beispiel 6

Echtheitsdetektor mit Beleuchtung durch die TN- Zelle

Bei der cholesterischen Reflexion bleibt die Händigkeit der Zirkularpolarisation des einfallenden Lichtes erhalten, während sie bei einer Oberflächenreflexion invertiert wird. Diese Tatsache läßt sich zur Unterdrückung von Oberflächenreflexen nutzen. Im Echtheitsdetektor wird die Beleuchtungseinheit hierfür so angeordnet, daß ihr Licht durch den Analysator der Detektionseinheit auf die Probe fällt und hierdurch entsprechend zum momentanen Polarisationszustand polarisiert wird (Fig. 2c). Vom reflektierten Licht kommt nur der Anteil mit gleichem Polarisationszustand zum Detektor. Bei der Umsetzung ließ sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis hierdurch verbessern. Da Beleuchtung und Detektion durch die gleiche TN-Zelle erfolgen, ist mit dieser Anordnung eine besonders kompakte Bauweise möglich.

Beispiel 7

Unempfindlichkeit der Detektion auf linear polarisierende und nicht polarisierende Proben

Linear polarisierte Reflexion wurde durch Auflegen eines Linearpolarisators auf eine nicht polarisierende Probe erzeugt. Hierdurch sollte gezeigt werden, ob andersartige Sicherheitsmarken eine Fehldiagnose verursachen können. Die Messung gemäß Beispiel 2 ergab für alle LED-Farben geringfügige Unterschiede in der Intensität zwischen den beiden Polarsationszuständen, die ohne Ausnahme unter dem zuvor beschriebenen Triggerlevel lagen. Gleiches ergab sich für verdrehte Anordnungen des Linearpolarisators.
Wie zu erwarten fanden sich bei nicht polarisierenden Proben keine Unterschiede zwischen rechts- und linkshändiger Detektion.

Claims

1. Vorrichtung zur Verifikation einer Sicherheitsmarkierung enthaltend flüssigkristallines Material mit einer cholesterischen Reflexionsbande, welche die Sicherheitsmarkierung durch eine Beleuchtungseinheit mit einer oder mehreren spektral eingeschränkten Lichtquellen beleuchtet und das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte oder transmittierte Licht in einer Detektionseinheit auf Zirkularpolarisation prüft, dadurch gekennzeichnet, daß diese keine beweglichen Teile zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie zum Farbwechsel der Beleuchtungseinheit enthält.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektral eingeschränkte Lichtquelle jeweils eine Bandbreite von maximal 100 nm, besonders bevorzugt eine Bandbreite von maximal 50 nm besitzt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als spektral eingeschränkte Lichtquellen mehrere LEDs (Licht emittierende Dioden) dienen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektral eingeschränkten Lichtquellen so ausgewählt sind, dass die cholesterische Bande des die Sicherheitsmarkierung bildende Materials das Licht einer oder mehrerer spektral verschobener und spektral eingeschränkter Lichtquellen vollständig oder teilweise reflektiert, während das Licht einer oder mehrerer weiterer, spektral verschobener und spektral eingeschränkter Lichtquellen unreflektiert bleibt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion des Lichtes einer spektral eingeschränkten Lichtquelle unter schrägem Winkel erfolgt und hierdurch die kurzwellige Verschiebung der cholesterischen Reflexionsbande genutzt wird.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinheit einen Analysator und einen Lichtdetektor umfaßt.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator eine schaltbare LC-Zelle erforderlichenfalls mit Viertelwellenlängenplatte und Polarisator und nachfolgendem Photodetektor als einzigem Detektor umfaßt, wobei die LC-Zelle mit Viertelwellenlängenplatte und Polarisator in einem Zustand rechts- und im anderen linkshändig polarisiertes Licht transmittiert.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator eine Twisted-Nematic-Flüssigkristallzelle (TN-Zelle) mit einem Eintrittsdirektor und einem Austrittsdirektor, zwischen einer Viertelwellenlängenplatte (VWP) mit einer optischen Achse und einem Linearpolarisator enthält, derart, dass das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte Licht zunächst die Viertelwellenlängenplatte, anschließend die TN-Zelle und schließlich den Linearpolarisator passiert, ehe es auf einen Lichtdetektor trifft, wobei die optische Achse der VWP unter 45° oder 135° zum Eintrittsdirektor der TN-Zelle ausgerichtet ist und der Polarisator parallel oder gekreuzt zum Austrittsdirektor der TN-Zelle ausgerichtet ist.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der Sicherheitsmarkierung durch den Analysator erfolgt.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des transmittierten Lichtes unter senkrechter oder schräger Durchleuchtung erfolgt.

11. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 als Detektor für die Echtheitsprüfung von Banknoten, Datenträgern, Wertpapieren und Ausweisen mit cholesterischen Pigmenten als Sicherheitsmarkierung.

12. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 für einen maschinellen Echtheitsnachweis einer Sicherheitsmarkierung.