JP2009300279A - テラヘルツ光を用いた紙葉類の検査方法および検査装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明では、紙幣14の厚さを非接触で検査するのに、テラヘルツ光12を用いる。テラヘルツ光12は、紙幣14の厚さの数分の1〜数倍の波長のものを使用する。テラヘルツ光12を紙幣12の片面側141から照射し、紙幣14の表面141および裏面142で反射されるテラヘルツ反射光121、124を検出する。検出したテラヘルツ反射光は、表面で反射された反射光121および裏面で反射された反射光124を含んでいるから位相差を有する。そして位相差は干渉の強さとして検知できる。その結果、紙幣の厚さを正しく、非接触で検出することができる。
【選択図】図1
Description
前者の光の透過光量の減衰量により紙葉類の「厚さ」を検査する方法は、図12に示すように、光源1からの光を紙葉類2に照射し、紙葉類2を透過した透過光量を受光センサ3により測定する方法である。光源1としては、通常LEDが用いられ、受光センサ3としては通常フォトダイオードが用いられる。
すなわち、元来、紙葉類等の印刷物は光の反射で表面の印刷内容を確認するように設計されている。紙葉類である紙自身は「白く」見えるようにカオリン、二酸化チタンなどが添加されている。その結果、紙自身は紫外〜近赤外の光は反射し易く透過しにくい性質を有している。一方、紙に印刷された文字、図形等を表示しているインクは紫外〜近赤外領域において光を吸収したり反射したりする。つまり、インクの有無等が透過光量を変化させるので、紙葉類を透過する光量を測定するやり方では、紙葉類の厚さを正しく測定できないという課題がある。
さらに、紙葉類の厚さ自身を測定しているのではなく、紙葉類の厚さを透過光量で代用している技術であるから、紙葉類の汚れにより透過光量が変わると、誤検知につながるおそれがある。
ところで、このメカ式検出方法はローラー4a、4bで紙葉類2を挟むことが前提である。従って、紙葉類2の厚みを非接触状態で検出することは不可能である。紙葉類2とローラー4a、4bとが接触するため、紙葉類2が損傷を受ける可能性がある。また、紙葉類2にテープ等の異物が貼られている場合、その異物によってローラー4aまたは4bが変位し、誤った厚みを測定することも考えられる等の課題がある。
たとえば、特許文献4にはコヒーレントなテラヘルツ波(テラヘルツ光)を用いた金属の表面形状検査装置が提案されている。
この発明は、具体的には、テラヘルツ光を検査対象物である紙葉類に照射し、反射光を検出して、その特性を検知することにより、紙葉類の厚さ、紙葉類の枚数、紙葉類にテープ等の異物が存在するか否か等を検出し、また、紙葉類の損傷度、紙葉類の断層構造等を検査する方法および装置を提供することを目的とする。
前記検査用テラヘルツ光は、連続した単一周波であるコヒーレント光であることが好ましい。また、前記検査用テラヘルツ光として、周波数の異なる複数の検査用テラヘルツ光を用いることもできる。
またこの発明によれば、紙葉類の「厚さ」の変化を検出することができる。よって、紙葉類に貼られているテープなどの異物検出が的確に行える。
この発明によれば、さらに、紙葉類の損傷度を検出することができる。損傷度とは、紙葉類の凹凸、折り曲げ、表面と裏面の平行度等である。
<発明の原理・概要>
(1)この発明の検査対象は紙葉類(紙幣、有価証券、証拠証券その他の紙類、免許証、クレジットカードその他のカード類など)である。そして紙葉類の厚さ、損傷度、断面構造等を検査するものである。紙葉類の厚さ検査には、紙葉類の枚数検出、紙葉類に貼着されたテープ等の異物検出が含まれる。
(2)検査にはテラヘルツ光を用いる。
b)使用するテラヘルツ光の波長は、検査対象である紙葉類の厚さと相関する。紙葉類の厚さの数分の1〜数倍の波長(50μm〜2mm)のテラヘルツ光を用いる。検査の感度が良いからである。 c)使用するテラヘルツ光は、連続波(CW Continuous Wave)であって、単一周波数のコヒーレント光が好ましい。
(3)図1に、この発明により紙葉類を検査する原理を示す。
テラヘルツ光は、乾性の物質を透過し易い性質を有するので、紙葉類14を透過し易く、紙葉類14での吸収による影響を受けにくい。かかる性質のテラヘルツ光12は、その一部が紙葉類14の一面141で反射されてテラヘルツ反射光121となる一方、その一部122は紙葉類14内へ進入する。そして進入したテラヘルツ光122の一部は紙葉類14の他面142で反射され、テラヘルツ反射光123は紙葉類14内を戻り、一面141から外部へテラヘルツ反射光124として出力される。紙葉類14内へ進入したテラヘルツ光122の一部は、他面142から外側へ透過するテラヘルツ透過光125となる。さらに、紙葉類14内を戻るテラヘルツ反射光123の一部は、紙葉類14の一面141で再反射され、反射光126となって紙葉類14内を進み、その一部は紙葉類14の他面142で再反射されて反射光127となり、一面141から外部へテラヘルツ反射光128として出力される。さらに、反射光126の一部は他面142から外側へ出力されるテラヘルツ透過光129となる。
テラヘルツ光検出素子16で検出されるテラヘルツ反射光には、上述した通り、紙葉類14の一面(表面)141で反射された第1反射光121および他面(裏面)142で反射された第2反射光124の2種類が含まれている。これら2種類のテラヘルツ反射光121、124は、紙葉類14内を厚さd方向に往復したか否かの違いを有し、この違いは2種類のテラヘルツ反射光121、124の位相差となる。そして、位相差のある2種類のテラヘルツ反射光121、124は干渉しあうので、その干渉の強さまたは振幅反射率を検知する。検知した干渉の強さまたは振幅反射率は、位相差と相関しており、その位相差は紙葉類14の厚さと相関関係があるので、紙葉類14の厚さを検出できるのである。
テラヘルツ光を紙葉類14に照射した場合、紙葉類14の表面と裏面の間隔(光学的厚さ)をn・dとすると、mを自然数とした場合、波長(周波数)がλ=(2*n・d)/mの光の定在波が立つ。定在波では紙葉類14の表面、裏面を往復する光が位相が合う時に強くなり、逆の場合が弱め合う。ここで、nは紙葉類14の屈折率、dは紙葉類14の物理厚さである。
よって、反射スペクトルを計測して、ピーク間隔、ディップ間隔を求めることは、定在波が立つ紙葉類14の厚さを求めることになり、紙葉類14の厚さを知ることができる。
図1において、
紙葉類14の一面141が対向する側(空気)の複素屈折率をn0 、
紙葉類14自体の複素屈折率をn1 、厚さをd、
紙葉類14の他面142が対向する側の複素屈折率をn2 、
とすると、振幅反射率rは一般的には下記の式(1)で表わされる。
なお、フレネル係数の複素屈折率=n−i・k(実屈折率−i・消衰係数)であるが、透明体として計算する時は、吸収が無いので、k=0としてもよい。この発明が対象としている紙葉類は、波長程度の厚さであり、吸収が無いもの(薄膜)として扱えるのでk=0として計算している。吸収がある場合は消衰係数を含めた複素屈折率で扱えばよい。なお、iは虚数である。
かかる場合は、n2 を樹脂板の屈折率(たとえばn2 =2〜3程度)等として計算すればよい。また、紙葉類14の表面側を上述のようにたとえば透光性の樹脂板でカバーしたときは、n0 =1ではなく、n0 を樹脂板の屈折率にして計算すればよい。
<計算例1>
波長600μm(周波数0.5THz)のテラヘルツ光12を用い、厚さd=100μm、屈折率n1 =1.5の紙葉類14が空気中にある場合(空気の屈折率n0 =n2 =1)で、テラヘルツ光12が紙葉類14に対して垂直入射する場合の計算例を示す。
すなわち、波長600μm(周波数0.5THz)のテラヘルツ光12で、紙葉類14の厚さdを検出する場合、d=100μmのときには、振幅反射率r100 =0.42が得られ、d=200μmのときには、振幅反射率r200 =0となる。よって、紙葉類14が、たとえば1枚であるか(100μm)、2枚重なった状態であるか(200μm)を、振幅反射率に基づいて明確に判別することができる。
検査する紙葉類14の厚さdが一定で、検査に用いるテラヘルツ光12の周波数を可変した場合の周波数特性(スペクトル)の計算例を次に示す。
一方、紙葉類2の厚さd=0.2mm(ドル札2枚重ねに相当)の場合は、テラヘルツ光12の周波数が0.25THz、0.75THz、1.25THz、1.75THz、2.25THzおよび2.75THzにおいて振幅が最大になっている。よって、テラヘルツ反射光のピーク間周波数差Δf2 は0.5THzである。
<計算例3>
図3(A)(B)は、反射スペクトルを逆フーリエ変換して断層情報を計算して得たグラフである。すなわち、図3(A)(B)は、共に、前述した式(1)〜(4)に基づいて、周波数をたとえば0.1THzから10THzまで5GHzピッチで動かして紙葉類の反射強度を求め、得られた反射スペクトルを逆フーリエ変換を行い、断層データに変換した例である。
なお、サンプル(被検査物)としての紙葉類14は、その厚さが0.1mm、屈折率1.5とした。また、2層の場合は、サンプル(被測定物)としての紙葉類14aは、その厚みが0.1mm、屈折率1.5、紙葉類14bは、その厚みが0.2mm、屈折率2.0とした。
なお、参照光については、後述する図5、図6および図7を参照して詳述するが、図3(A)(B)のグラフを理解するのに必要な説明を、ここでも簡単に行っておく。
一方、実線で示す反射光のみの場合は、最初のピークが、深さ方向に0.15mmに現れ、次のピークは0.3mmに現れている。深さ方向の位置は、基準面からの距離であり、反射光の強度のみの情報では表面位置が不正確である。しかし、第1のピークおよび第2のピークのピーク間距離は、紙葉類14の厚さを示しており、この厚さは光学厚さ0.15mmとなっていて、正確に検出されていることがわかる。
すなわち、図3(B)において、破線で示す参照光ありの場合のグラフによれば、深さ方向0.1mmに第1のピーク(図4(B)の紙葉類14aの表面)が現れ、深さ方向0.25mmに第2のピーク(図4(B)の紙葉類14aの裏面と紙葉類14bの表面との界面)が現れ、深さ方向0.65mmに第3のピーク(図4(B)の紙葉類14bの裏面)が現れていて、断層データが獲得できている。
この実施例の検査装置20は、テラヘルツ光放射素子としての放射用フォトコンダクティブアンテナ(以下「PCアンテナ」と称する。)21およびテラヘルツ光検出素子としての検出用PCアンテナ22を備えている。放射用PCアンテナ21から放射されるテラヘルツ光S1は、放物面鏡23で反射され、ワイヤーグリッド24を通り(S2)、ビームスプリッタ25を透過し(S3)、放物面鏡26で反射されて検査対象である紙葉類(サンプル)27の表面(一面)へ垂直入射する(S4)。すなわち、放射用PCアンテナ21から照射されるテラヘルツ光は、S1、S2、S3、S4という第1光路を通り紙葉類27へ放射される。
検査対象である紙葉類27は、サンプルステージ30にセットされている。サンプルステージ30は、紙葉類27を予め定める状態に保持し、紙葉類27の一面(表面)の所定の領域にテラヘルツ光が垂直に照射されるようにする。そして紙葉類27を面方向に移動させ、紙葉類27の任意の領域をテラヘルツ光を用いて検査できるように移動制御するものである。
検査装置20には、前述した第1光路および第2光路に加えて、参照光路が備えられている。放射用PCアンテナ21から放射されたテラヘルツ光S1,S2は、その一部がビームスプリッタ25で分離され、分離されたテラヘルツ光S5は放物面鏡31で反射され(S6)、参照光用ミラー32へ垂直に照射される。そして参照光用ミラー32で反射されたテラヘルツ反射光R5は、放物面鏡31で反射され、ビームスプリッタ25およびワイヤーグリッド28を透過して(R6)、放物面鏡29で反射されて検出用PCアンテナ22で検出される(R7)。
この実施例の検査装置20において、放射用PCアンテナ21が放射するテラヘルツ光は、次のようにして生成される。
波長固定レーザ40および波長可変レーザ41の2つのレーザが備えられている。波長固定レーザ40は、たとえば780nmのレーザ光を出力する。一方、波長可変レーザ41は出力するレーザ光の波長を可変することができ、この実施例ではたとえば782nmのレーザ光を出力する。波長固定レーザ40から出力される波長780nmのレーザ光は光アイソレータ42から光ファイバ43を経由してレーザ増幅器44へ与えられる。波長可変レーザ41から出力される波長782nmのレーザ光は光アイソレータ45から光ファイバ43を経由してレーザ増幅器44へ与えられる。なお、光ファイバ43にはテラヘルツ光の周波数を確認するために、モニタ用光スペアナ46が接続されていてもよい。
光アイソレータ47から別の光ファイバ50によってレーザ光が誘導され、そのレーザ光は光遅延装置51を経由して検出用PCアンテナ22へ与えられる。光遅延装置51は反射ミラー52、53およびリトロリフレクタ54を有している。リトロリフレクタ54は遅延ステージに搭載されている。光遅延装置51により、放射用PCアンテナ21に与えられるレーザ光に比べて検出用PCアンテナ22に与えられるレーザ光を所定位相だけ遅延させることができる。これにより、検出されるテラヘルツ反射光の振幅および位相を検知している。
図6に、図5の構成において、参照用ミラー32を備える場合と、備えない場合との構成の違いを、図解的に示す。
図7(A)に示すように、紙葉類27を保持する保持部材に、表面が鏡面加工された金属板64を用い、金属板64に検査窓65が開口されていて、検査窓65を通して紙葉類27にテラヘルツ光が照射される構成としてもよい。この場合、金属板64を図7(A)において紙葉類27と共に移動させることにより、放射用PCアンテナ21から照射されるテラヘルツ光を金属板64および紙葉類27に照射することができ、それぞれからのテラヘルツ反射光を検出することができる。そして、金属板64の反射光の光強度を基準値とし、紙葉類の反射光の光強度と比較することにより、反射率を求めることができる。
この実施例の検査装置20は、図5に示す構成を具備しているので、紙葉類27としてたとえば紙幣を例にとると、次の検査が可能である。
(1)紙幣の複数枚搬送の検査(搬送される紙幣が1枚か、2枚かを検出できる。)
(2)紙幣の厚さの検出
(3)紙幣の「透かし」の有無の検出
(4)紙幣の表面または裏面に貼り付けられた異物(テープの付着など)の検出
(5)紙幣の品質管理(平行度、平坦度、皺、傷みの有無の検出)
この実施例は、上述の(1)〜(5)の検査を、非接触で、かつ紙幣の片面へテラヘルツ光を照射し、その反射光を検出することにより行える。
また、マルチ周波数(複数の周波数のテラヘルツ光)を用いて紙葉類の検査を行うこともできる。
さらに、テラヘルツ光の周波数を変化させ、スペクトル情報を得ることによって、紙葉類のより正確な厚さ等を検出できる。
(1)紙幣の複数枚搬送の検査について:
図8は、紙幣の複数枚搬送の検査(搬送される紙幣が1枚か、2枚か、3枚かを検出する検出方法)を説明するための図である。
図8(C)の反射強度のグラフから、窓付金属板ステージ70に載置された紙幣が、紙幣72aが1枚だけの場合と、紙幣72a、72bが2枚重ねになっている状態とで、反射強度が0.4または0.2と明らかに違っていることが理解できる。よって、窓付金属板ステージ70に載置されて搬送される紙幣が、1枚か2枚かを検出できることがわかる。
図8(D)は、窓付金属板ステージ70の裏面に載置された紙幣の厚さと、検出されるテラヘルツ反射光の振幅との関係を示すグラフである。図8(D)において横軸は紙幣の厚さ(紙幣の重複枚数)を示し、縦軸は検出されたテラヘルツ反射光の振幅を示している。窓付金属板ステージ70の裏面に載置された紙幣72a、72b、72cは、その厚さが0.1mmであるから、1枚の場合は0.1mm、2枚重なっていれば0.2mm、3枚重なっていれば0.3mmである。図8(D)のグラフにおいて、実線は0.5THzのテラヘルツ光を使用した場合の振幅であり、1点鎖線は0.3THzのテラヘルツ光を使用した場合の振幅を示している。
この場合でも、搬送される紙幣が1枚のときおよび3枚のときには、検出されたテラヘルツ反射光の振幅はいずれもピークとなるから、紙幣が1枚か3枚かを区別することができない。
以上のことから、搬送される紙幣が1枚か、2枚かだけを検出するのであれば、検出されたテラヘルツ反射光の反射強度または振幅検出することにより、1枚搬送または2枚搬送を検出できることがわかる。通常、紙幣の搬送では、3枚以上が重なって搬送されることは極めて稀であり、2枚搬送を検出し、防止する技術が求められている現状を考慮すると、紙幣の2枚搬送は、この実施例の検査装置20により、1種類のテラヘルツ光を用いて実現できることがわかる。
(2)紙幣の厚さ検出、および、(3)紙幣の「透かし」検出について:
この発明の実施例の検査装置20を用いた紙幣の厚さの検出((2)の検査)については、既に図1を参照して厚さ検出の原理および方法を具体的かつ詳細に説明したので、ここでの説明については省略する。
(4)異物の検出について:
次に、紙幣に対するテープの貼着などの検出につき、図面を参照して説明する。
また、図10(B)は、図10(A)で反射されたテラヘルツ反射光を検出し、その振幅強度を濃淡を用いて表わした分布である。図10(B)の強度分布においては、図10(C)に示すように、紙幣72の厚さが0.08mm以下は濃く、0.08mm〜0.16mmと厚さが厚くなるに従って徐々に薄くなり、0.16mm以上ではほぼ白となっている。
(5)紙幣の品質管理について:
最後に、上述した(5)の検査、すなわち紙幣の皺、傷み、平行度等の検出方法について、具体例を説明する。
この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
12 テラヘルツ光
121 第1テラヘルツ反射光
124 第2テラヘルツ反射光
16 テラヘルツ光検出素子
20 検査装置
21 放射用PCアンテナ(テラヘルツ光放射素子)
22 検出用PCアンテナ(テラヘルツ光検出素子)
14、27 紙葉類
30 サンプルステージ(紙葉類保持装置)
61 パソコン(処理装置)
Claims (10)
- テラヘルツ光を用いて紙葉類を検査する方法であって、
検査対象である紙葉類の厚さの数分の1〜数倍の波長のテラヘルツ光を紙葉類に対して照射し、
紙葉類の表面および裏面で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
検出したテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知して紙葉類の厚さを検出することを特徴とする紙葉類の検査方法。 - 検査対象である前記紙葉類をその面方向に移動させ、
紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
検出したテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、
検知した値を予め記憶された基準値と比べることによって紙葉類の表面または裏面に貼られた異物の存在を検出することを特徴とする、請求項1記載の紙葉類の検査方法。 - 検査対象である前記紙葉類をその面方向に移動させ、
紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
検出したテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、
所定の干渉の強さが検知できない部位の有無によって紙葉類の表面と裏面との平行度を検出することを特徴とする、請求項1記載の紙葉類の検査方法。 - 検査対象である前記紙葉類をその面方向に移動させ、
紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ光を検出し、
検出したテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、
検知した干渉の強さの変動が一定の範囲を超えるか否かに基づいて紙葉類の表面の凹凸および/または皺の有無を検出することを特徴とする、請求項1記載の紙葉類の検査方法。 - テラヘルツ光を用いて紙葉類を検査する方法であって、
検査対象である紙葉類の厚さの数分の1〜数倍の波長のテラヘルツ光を紙葉類に対して照射し、
紙葉類の表面および裏面で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
前記紙葉類に対して照射するテラヘルツ光の波長を変化させ、
前記検出したテラヘルツ反射光の反射スペクトルを検知することにより紙葉類の断層構造を検出することを特徴とする紙葉類の検査方法。 - テラヘルツ光を用いて紙葉類を検査する装置であって、
検査対象である紙葉類の厚さの数分の1〜数倍の波長のテラヘルツ光を紙葉類に対して照射する放射素子と、
紙葉類の表面および裏面で反射されるテラヘルツ反射光を検出する検出素子と、
前記検出素子で検出されたテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知して紙葉類の厚さを検出する処理装置と、
を含むことを特徴とする紙葉類の検査装置。 - 前記検査対象である紙葉類をその面方向に移動させる紙葉類保持装置を備え、
前記放射素子は紙葉類保持装置で移動される紙葉類の異なる部位に対してテラヘルツ光を照射し、
前記検出素子は紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ光を検出し、
前記処理装置は、前記検出素子で検出されたテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、検知した値を予め記憶された基準値と比べることによって紙葉類の表面または裏面に貼られた異物の存在を検出することを特徴とする、請求項6記載の紙葉類の検査装置。 - 前記検査対象である紙葉類をその面方向に移動可能に保持する紙葉類保持装置を備え、 前記放射素子は紙葉類保持装置で移動される紙葉類の異なる部位に対してテラヘルツ光を照射し、
前記検出素子は紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
前記処理装置は、前記検出器で検出されたテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、所定の干渉の強さが検知できない部位の有無によって紙葉類が表面と裏面との平行度を損なっていることを検出することを特徴とする、請求項6記載の紙葉類の検査装置。 - 前記検査対象である紙葉類をその面方向に移動可能に保持する紙葉類保持装置を備え、 前記放射素子は紙葉類保持装置で移動される紙葉類の異なる部位に対してテラヘルツ光を照射し、
前記検出素子は紙葉類の異なる部位で反射されるテラヘルツ反射光を検出し、
前記処理装置は、前記検出器で検出されたテラヘルツ反射光の位相差による干渉の強さを検知し、検知した干渉の強さの変動が一定の範囲を超えるか否かに基づいて、紙葉類の表面の凹凸および/または皺の有無を検出することを特徴とする、請求項6記載の紙葉類の検査方法。 - テラヘルツ光を用いて紙葉類を検査する装置であって、
検査対象である紙葉類の厚さの数分の1〜数倍の波長のテラヘルツ光を、その波長を一定範囲で変化させながら紙葉類に対して照射する放射素子と、
前記放射素子により照射されるテラヘルツ光が紙葉類の表面および裏面で反射されるテラヘルツ反射光を検出する検出器と、
前記検出器が検出したテラヘルツ反射光の反射スペクトルを検知して前記紙葉類の断層構造を検出する処理装置と、
を含むことを特徴とする紙葉類検査装置。
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