-
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 A . 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 A 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 19541028 A1 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 19544130 A1 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 A 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 A1 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 A1 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 (Twisted-Nematic-Zellen) und Viertelwellenretarden
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.
-
Aus
der
DE 39 31 540 A1 ist
eine Analysatoreinrichtung bekannt, die zur Bestimmung des Polaristaionszustands
von Licht geeignet ist. Dazu wird ein Polarisationsstrahlteiler
und eine Mehrzahl von Detektoren verwendet, die die einzelnen Teilstrahlen
detektieren.
-
Aus
der
DE 100 22 996
A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Sicherheitsmerkmalen
bekannt. Die Vorrichtung umfasst auf einem flächigen Substrat einen Linearpolarisator
und eine λ/4
Folie, so dass beim Falten des Substrats der Linearpolarisator und
die λ/4
Folie derart zur Deckung gebracht werden, dass je nach Faltrichtung
ein Zirkularpolarisator mit jeweils unterschiedlicher Polarisationsrichtung
entsteht.
-
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 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 sogenannte OLEDs (organische
LEDs) 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
(2b). In den zum Stand der Technik diskutierten
Patentanmeldungen wird das reflektierte Licht durch Polarisatoren
entgegengesetzter Zirkularpolarisation auf zwei getrennten Detektionseinheiten
nachgewiesen (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 Rufbau 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. 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,
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 (2c). Da bei der cholesterischen
Reflexion die Zirkularpolarisation erhal ten 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 (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
(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 Cha rakteristikum 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
2b bis
e die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben
werden. Der erfindungsgemäße Echtheitsdetektor
umfaßt
eine Beleuchtungsein heit (
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 A1 (S. 7 Zeile 42 bis S. 16 Zeile
50) und
EP 8991195
A1 . (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 A1 und
EP 899119 A1 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 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 3a ersichtlich, wird das von der Reflexionsbande
des LC Materials der Sicherheitsmarkierung reflektierte rechtshändig zirkular
polarisierte Licht in der Detek tionseinheit 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. 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. 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 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. 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 (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.
-
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.
-
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.
-
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).
-
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 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, 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 beschichtet, mit Samt gerieben und unter 90° angeordnet,
mit 5 μm-Spacern
verklebt und mit einem nematischem Flüssigkristall gefüllt wurden.
Ein Linearpolarisator ist auf der anderen Seite der TN-Zelle parallel
zur Direktorrichtung auf dieser Seite der TN-Zelle angeordnet. Ein
Photodetektor mit geeigneter Elektronik dient zum Nachweis der auftreffenden
Intensität.
-
Der
gesamte Detektor zeigt somit folgende Intensitäten bei der jeweiligen Polarisation
des einfallenden Lichtes an:
- *
Die Bezeichnungen beziehen sich auf die eingestrahlte Intensität, so daß bei „hell" im wesentlichen
das gesamte einfallende Licht transmittiert wird, bei „halbdunkel" ca. 50% und bei „dunkel" kein Licht.
-
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 Anord nung aus VWP, TN-Zelle und Linearpolarisator
zur Verfügung
(s.
4). Für
das Beispiel eines grünen,
rechtshändig
reflektierenden Pigments 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 folgende Werte (rechts-/linkshändige Polarisationsabfrage
... rh/lh):
Rot/rh: | 21
= IR/rh |
Rot/lh: | 22
= IR/lh |
Grün/rh | 103
= IG/rh |
Grün/lh | 29
= IG/lh |
Blau/rh | 15
= IB/rh |
Blau/lh: | 16
= IB/lh |
-
Eine
Programmabfrage zur Echtheit des grünen, rechtshändigen Pigments
lautet somit, wie folgt oder ähnlich:
Wenn
[–2 < (IR/rh – IR/lh) < 2]
und
[–2 < (IB/rh – IB/lh) < 2]
und
[(IG/rh – IG/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
und einer Photodiode, bzw. einem linkshändigen Zirkularpolarisator
und einer Photodiode (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 (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 und 950 nm emittieren. In der
Detektionseinheit nach Beispiel 1b wurde der Polarisator durch eine
für den
IR-Bereich geeignete Type ersetzt, als Viertelwellenlängenplatte
im IR diente ein Halbwellenlängen-Retarder
für den
sichtbaren Bereich. Die Reflexionsbande des verwendeten, vollflächigen,
cholesterischen Films lag bei 850 nm, die langwellige 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 A1 )
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 (
2e). Folgende Intensitäten ergaben
sich für die
einzelnen LED-Farben und Polarisationszustände (8 Bit-Digitalisierung):
Rot/rh | 130
= IR/rh |
Rot/lh | 133
= IR/lh |
Grün/rh | 32
= IG/rh |
Grün/lh | 127
= IG/lh |
Blau/rh | 125
= IB/rh |
Blau/lh | 124
= IB/lh |
-
Die
Echtheit dieses Films wurde mit folgender Abfrage geprüft:
Wenn
[–4 < (IR/rh – IR/lh) < 4]
und
[–4 < (IB/rh – IB/lh) < 4]
und
(IG/rh – IG/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 (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.