JP2010039958A - 情報記録媒体、その読取装置及びその読取方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目視上目立たない高耐久性かつ安価な情報記録媒体でありながら十分な強度及び高Ｓ／Ｎ比を有する信号を読み取ることが可能な情報読取システムを提供する。
【解決手段】情報読取システム１であって、ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくともいずれか１つを発光物質として有する二次元透明バーコード２と、二次元透明バーコード２に近赤外光または赤外光を照射する２つの異なる光源３１及び３２と、二次元透明バーコード２から発光した可視光または近赤外光を受光するカメラ３４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アップコンバージョン過程を用いた発光物質を蛍光材料とした情報記録媒体、それに記録された情報を光学的に読み取る読取装置及び読取方法に関する。

バーコードのように、光学的に読み取り可能な情報が記録された情報記録部を有する情報記録媒体が、様々な分野で利用されている。近年では、高密度の情報量を与えることのできる二次元バーコードのパターンを有する情報記録部も開発されており、今後広く普及していくものと予想される。

これらのコードパターンの読み取り原理は、基材の下地の部分と白黒で構成されたコードパターンのコントラストとが利用されている。例えば、バーコードパターンについては、発光ダイオードや半導体レーザからの光をバーコードパターンに照射し、下地とバーコードパターンの反射率の相違に基づいて、パターン部分の幅を検出する。この幅に基づいて情報が読み取られる。また、黒色のみならずカラーコードパターンも存在するが、読み取り原理は上記と全く同一である。

しかし、このような肉眼で明瞭に視認できるコードパターンの場合、コードパターンが付与される商品によってはコードパターンが視覚上邪魔になることがある。このため、見えないコードパターン（ステルス印刷など）に対する要求が高まってきている。この方式として、コードパターンを光吸収色素で形成し、光をこのコードパターンに照射して反射した反射光を読み取る方式や、コードパターンを蛍光体で形成し、その発光スペクトルを読み取る方式などが提案されている（特許文献１及び２）。

上記方式では、目視上、コードパターンが邪魔になることはない。また、光吸収色素で形成されたコードパターンの場合、従来の読取装置の光源を近赤外光源に置換するだけで、それに吸収のある色素で形成されたコードパターンの読み取りも可能である。また、従来の黒色コードパターンも赤外光を吸収するので、赤外光源を用いた読取装置で黒色コードパターンを読み取ることも可能であり、システムの互換性も保たれる。
特開２００６−２１２９４４号公報 特開２００６−０７９４６６号公報

しかしながら、光吸収色素で形成されたコードパターンは、温度や水分など環境に対する耐久性が一般の蛍光体と比較して著しく低い。

また、蛍光体で形成されたコードパターンの場合、発光スペクトルを観測するために、光源として紫外光が広く使われている。この紫外光による励起方式の場合には、製品の素材、例えば、紙やプラスチックそのものが発光するため、蛍光体の発光スペクトルを検知するには添加すべき蛍光体の濃度を上げる必要がある。これは、発光スペクトルを用いて情報を識別する場合、出力信号のＳ／Ｎ比を確保しなければならず、信号レベルを上げて相対的に外乱光や背景雑音などの不要な信号成分を除去するためである。

しかし、添加濃度を上げると、素材の変色や劣化が生じ、同時に多量の蛍光体が必要となるので製品の製造コストの上昇をもたらす。

さらには、紫外光照射方式の場合、製品の劣化、濃い色を素材としたときの発光の困難性、及び、製品の多くに紫外光遮蔽剤が添加されていること、などの課題を有する。これらにより、スペクトルの検知が困難であり、紫外光励起による発光スペクトルの読み取り方式は実用されるには至っていない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、高耐久性及び低添加濃度の蛍光体を有し目視上目立たない安価な情報記録媒体、当該情報記録媒体から十分な強度及び高Ｓ／Ｎ比を有する信号を読み取ることが可能な読み取り装置及び読み取り方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る読取装置は、ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくとも１つを発光物質として有する情報記録媒体に記録されている情報を読み取る読取装置であって、前記情報記録媒体に近赤外光または赤外光を照射する２つの異なる光源と、前記近赤外光または赤外光が照射された前記情報記録媒体の前記発光物質が励起されることにより発光する可視域から近赤外域までの光を受光する光学的読取部とを備えることを特徴とする。

ランタノイド系元素は、４ｆ軌道に電子を持っており、可視光および近赤外光の波長領域に、波長幅の狭い、多くの光吸収帯を持つ。また、アクチノイド系元素及び遷移金属元素は、近赤外域に広い光吸収帯を持つ。よってこれらの元素は、適切な光源からの照射により、強い光励起が可能であり十分な発光強度が得られる。

本構成をとることにより、２つの異なる光源から近赤外光または赤外光が照射されることにより、情報記録媒体でアップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの発光がなされるので、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を読み取ることが可能となる。また、近赤外光または赤外光の光源としては、高出力、小型かつ安価な多種類の半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）が利用できるので装置の低廉化や小型化を実現することが可能となる。

また、前記２つの異なる光源は、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射することが好ましい。

これにより、ランタノイド系元素の希土類イオン、アクチノイド系元素のイオンまたは遷移金属元素のイオンの有する２段階のエネルギー準位に対し、２種類のエネルギーレベルを有する励起光を情報記録媒体に照射できる。この照射により、当該情報記録媒体にてアップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの発光がなされる。この可視域から近赤外域までの発光により、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を読み取ることが可能となる。

また、前記２つの異なる光源は、それぞれ、異なるタイミングで、近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射してもよい。

これにより、情報記録媒体に対し、まず第１のタイミングで励起光を照射することにより、当該情報記録媒体の有するイオンを、近赤外光または赤外光を発光できる励起状態へと励起する。その後、第２のタイミングで励起光を照射することにより、上記イオンを更に高い励起状態へと励起し可視域から近赤外域までの光を発光させることが可能となる。この可視域から近赤外域までの発光により、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を読み取ることが可能となる。

また、さらに、前記光学的読取部で受光した可視光または近赤外光によって生成された発光スペクトルパターンと、予め記憶されている発光スペクトルパターンとを照合する照合部を備えてもよい。

これにより、バーコードに代表される情報記録媒体の形状パターンによる情報に加え、出力光の発光スペクトルのパターンを暗号として認識させることが可能であるので、情報の秘匿性が向上する。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る情報記録媒体は、光学的に読み取り可能な情報が記録されている情報記録媒体であって、ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくともいずれか１つを有し、２つの異なる光源から近赤外光または赤外光が照射されることにより励起され、可視域から近赤外域までの光を発光する発光物質を備えることを特徴とする。

本構成をとることにより、発光物質の添加濃度が低く、目視上目立たず、かつ、製品の光退色に影響されない高耐久性を有する情報記録媒体を実現することが可能となる。また、２つの異なる光源から近赤外光または赤外光が照射されることにより、アップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの発光がなされるので、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を出力することができる。

また、前記情報記録媒体は、前記２つの異なる光源から、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光が照射されることにより前記発光物質が励起され、可視域から近赤外域までの光を発光することが好ましい。

ランタノイド系元素の希土類イオン、アクチノイド系元素のイオン及び遷移金属元素のイオンは、複数の離散的なエネルギー準位を有する。このため、これらのイオンは、２段階あるいは多段階の励起を行うことによって励起波長よりも短波長の光を生成できる（アップコンバージョン）。

本構成をとることにより、２段階のエネルギー準位に対し、２種類のエネルギーレベルを有する励起光を情報記録媒体に照射するので、発光物質からアップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの発光がなされる。よって、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を出力することができる。

また、前記情報記録媒体は、前記２つの異なる光源から、それぞれ、異なるタイミングで、近赤外光または赤外光が照射されることにより前記発光物質が励起され、可視域から近赤外域までの光を発光してもよい。

本構成をとることにより、情報記録媒体の発光物質は、第１のタイミングで励起光が照射され、まず近赤外光または赤外光を発光できる励起状態へと励起される。その後、第２のタイミングで励起光が照射され、更に高い励起状態へと励起され可視域から近赤外域までの光を発光することが可能となる。よって、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を出力することができる。

また、前記ランタノイド系元素は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕのいずれかであり、前記アクチノイド系元素は、Ｕであり、前記遷移金属元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｔのいずれかであることが好ましい。

アップコンバージョン過程は、同種または異種のイオン間のエネルギー伝達と非輻射遷移過程など多くの過程を含んでいる。よって、アップコンバージョン過程は、ランタノイド系元素、アクチノイド系元素及び遷移金属元素であるドーパント（ゲスト材料）並びに化合物であるホスト材料の種類と濃度などの因子あるいは励起方法によって影響を受ける。

本構成をとることにより、ドーパントとして使用可能な元素が多様なので、読取システム仕様の多様性が向上する。

また、前記化合物は、弗化物、酸化物、水酸化物、硫化物、塩化物及び窒化物のいずれかであることが好ましい。

これらのホスト材料である化合物と、上記ドーパントとしての元素との組み合わせにより励起強度や発光強度が変化するので、読取システム仕様の多様性が向上する。

また、前記情報記録媒体は、不可視であることが好ましい。
これにより、本発明の情報記録媒体は目視されないので、当該情報記録媒体が付随された製品のデザイン自由度が拡大され、また、情報の秘匿性が向上する。さらに、従来の情報記録媒体の有する情報に加え、蛍光スペクトルパターンが情報として付加されるので、当該情報を利用するシステムの多様性が向上する。

なお、本発明は、このような特徴的な手段を備える情報記録媒体及び読取装置を備えた光学的読取システムとして実現できる。

また、本発明は、このような特徴的な手段を備える情報記録媒体及び読取装置として実現することができるだけでなく、当該情報記録媒体の読取方法として実現できる。

本発明によれば、情報記録媒体が備える低濃度の希土類イオン等が多段階励起されることにより可視光及び近赤外光が有効に発生し、光学的な読取装置により十分な強度及び高Ｓ／Ｎ比を有する信号を有効に検出することが可能となる。また、目視上目立たない情報記録媒体であるので、製品のデザインを損なわず、安価に製造できる。また、読取装置の構成要素として、可視光や近赤外光を扱う簡便な送受信デバイスが適用されるので、読取装置の小型化、簡素化が可能となる。

本実施の形態における情報読取システムは、ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくともいずれか１つを発光物質として有し光学的に読み取り可能な情報が記録されている情報記録媒体と、当該情報記録媒体に近赤外光または赤外光を照射する２つの異なる光源及び当該情報記録媒体から発光した可視光及び近赤外光を受光する光学的読取部を有する読取装置とを備える。これにより、アップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの発光がなされるので、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を出力することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態における情報読取システムの機能構成図である。同図における情報読取システム１は、二次元透明バーコード２と、二次元透明バーコードリーダ３とを備える。

二次元透明バーコード２は、商品の表面などに付与され、商品管理のための情報記録媒体としての機能を有する。

図２は、本発明の実施の形態に係る二次元バーコードの平面図の一例である。同図に記載されたように、二次元透明バーコード２は、蛍光部２１により表された透明な格子状のパターンにより特定の情報を表している。蛍光部２１は、製品４の表面上あるいはその内部に目視では透明なコードパターンを有する情報記録部であり、蛍光体２１１が透明インク２１２に添加されたものである。

蛍光体２１１は、例えば、ゲスト材料２１１Ａとホスト材料２１１Ｂとを有する。
ゲスト材料２１１Ａは、光源３１及び３２から照射された赤外光または近赤外光により、アップコンバージョンによる可視域から近赤外域までの光を発光する機能を有する。アップコンバージョン過程については後述する。

なお、蛍光体２１１を構成するゲスト材料２１１Ａ及びホスト材料２１１Ｂの混合形態は様々であり、図２に記載されたようなゲスト材料２１１Ａを囲むようにホスト材料２１１Ｂが存在する混合形態には限られない。

ホスト材料２１１Ｂとしては、酸化物（ＳｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｒ₂ＣｅＯ₄、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、ＳｒＳｉＯＮ、Ｓｒ₄Ａｌ₁₄Ｏ₂₅など）、窒化物（Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈、ＣａＳｉＮ₂、ＣａＡｌＳｉＮ₃、Ｃａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈など）、弗化物（ＹＦ₃、ＢａＹ₂Ｆ₈、ＣａＦ₂、ＬａＦ₃など）、塩化物（ＹＯＣｌ、ＳｒＣｌ₂など）、その他（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ、ＺｎＳ、Ｙ₂Ｓｉ₄Ｎ₆Ｃ、ＣａＡｌ₂Ｓｉ₁₀Ｎ₁₆など）を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記物質に限定されるものではない。

ゲスト材料２１１Ａとしては、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕのランタノイド系元素、これらランタノイド系元素の化合物、Ｕなどのアクチノイド系元素、これらアクチノイド系元素の化合物、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｔの遷移金属元素、及びこれら遷移金属元素の化合物を例示できる。また、上記より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもかまわない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記物質に限定されるものではない。

例えば、ランタノイド系元素は、４ｆ軌道に電子を持っており、可視光および近赤外光の波長領域に、波長幅の狭い、多くの光吸収帯を持つ。また、アクチノイド系元素及び遷移金属元素は、近赤外域に広い光吸収帯を持つ。よってこれらの元素は、適切な光源からの照射により、強い光励起が可能であり十分な発光強度が得られる。

本構成をとることにより、蛍光体２１１の添加濃度が低く、目視上目立たず、かつ、製品の光退色に影響されない高耐久性を有する二次元透明バーコード２を実現することが可能となる。後述するアップコンバージョンによる可視光発光やそれに付随した近赤外光の発光がなされるので、高出力かつ高Ｓ／Ｎ比を有する信号を出力することができる。

ホスト材料２１１Ｂに添加するゲスト材料２１１Ａの濃度は、０．０１ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下が好ましい。さらに好ましくは、０．０５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下である。

また二次元透明バーコード２に対する蛍光部２１に対するホスト材料２１１Ｂの濃度は、０．０１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、０．１ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下である。

なお、本実施の形態では、蛍光部２１は、製品４に直接添付されているが、蛍光部２１が塗布または印刷などされた基材が製品４に添付されてもよい。その場合、基材は、例えば、紙、プラスチック、木材、ガラスまたは樹脂、金属などが用いられる。これらの材料は、要求される特性に応じて任意に選択される。また、流通過程前の製品を基材とすることも可能である。

また、蛍光部２１の表目は、紫外線遮蔽剤などの表面保護層を塗布あるいは接着あるいは蒸着などが施されていてもよい。

また、蛍光部２１およびその下地から構成されるコードパターンは、１次元バーコードパターンであってもよい。

また、二次元透明バーコード２は、製品の一面またはその一部に添付されるだけでなく、製品の二つ以上の面または形状に添付されてもよいし、各面に全面的に添付されてもよい。

なお、透明インク２１２は、二次元透明バーコード２の用途により、透明でなくてもよい。例えば、二次元透明バーコード２が印刷インクやフィルムとして製品へ供される際には、蛍光部２１は、蛍光体２１１と結着剤、分散剤および助剤などとを混合して形成されてもよい。再び図１に戻って、本発明の実施の形態における情報読取システムの説明をする。

二次元透明バーコードリーダ３は、情報記録媒体である二次元透明バーコード２の情報を光学的に読み取る読取装置である。二次元透明バーコードリーダ３は、光源３１及び３２と、分光器３３と、カメラ３４と、情報処理部３５と、制御部３６とを備える。

光源３１及び３２は、特定の波長の近赤外光または赤外光を放射する機能を有し、例えば、様々な半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成される。上記近赤外光または赤外光を放射するこれらのデバイスは、紫外光を放射するデバイスと比較して、高出力でありながら小型で安価であるという利点を有する。また、光源３１及び３２は、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光を放射する。

分光器３３は、光源３１及び３２から二次元透明バーコード２に照射された近赤外光または赤外光により、二次元透明バーコード２から発光した可視域から近赤外域までの光を分光する機能を有する。分光器３３は、例えば、ミラーまたはレンズと回折格子とを組み合わせた小型のもので構成される。

なお、後述する情報処理部３５で、コードパターンのみを読み取る場合には、分光器３３は、分光機能を備える必要はなく、バンドパスフィルタまたは他の光学分散素子のみを備えてもよい。

カメラ３４は、分光器３３で分光された可視域から近赤外域までの光を受光し、これを画像情報へ変換する機能を有する。カメラ３４は、例えば、受光センサとしてＣＣＤを備える。

なお、外乱光を除去するため、発光成分の変調または時間分解方式を組み合せることにより、受光した信号が高Ｓ／Ｎ化され、コードパターンや発光スペクトルパターン読み取りの高精度化が図られる。

情報処理部３５は、カメラ３４で変換された画像情報を処理することにより、二次元透明バーコード２のコードパターンを解読し、また、分光器３３の分光結果を用いて上記可視域から近赤外域までの光の波長及び強度の分布を表した発光スペクトルを生成し、解析する。スペクトル解析には、重み付き最小二乗法、ニューラルネットワーク、最小二乗平均誤差規範などのアルゴリズムを反映した解析プログラムを用いてスペクトルを評価、分析する。

また、情報処理部３５は、上記スペクトル解析にて得られた発光スペクトルと、予めメモリ等に記憶している暗号または予め外部入力された暗号とを照合する照合部としての機能を有する。照合された発光スペクトルが上記暗号と一致した場合、情報処理部３５は、後述する制御部３６に対して、照合完了信号を出力する。

制御部３６は、外部装置との通信あるいは情報の送受信を行う機能を有する。また、制御部３６は、二次元透明バーコードリーダ３の有する各構成要素である光源３１及び３２、分光器３３、カメラ３４ならびに情報処理部３５を制御する。制御部３６は、例えば、情報処理部３５から出力された発光パターンやコードパターンの輝度やコントラストなどを評価することにより、光源３１及び３２の放射強度を調整する。また、制御部３６は、情報処理部３５から上記照合完了信号を受信することにより、コードパターンから解読した情報をディスプレイに表示するか否かの決定を行う。

以上の構成により、本発明の二次元透明バーコード２は目視されないので、二次元透明バーコード２が付与された製品のデザイン自由度が拡大され、また、情報の秘匿性が向上する。さらに、従来の二次元バーコードの有するコードパターン情報に加え、蛍光スペクトルパターンが情報として付加されるので、当該情報を利用するシステムの多様性が向上する。

ここで、光源３１及び３２から二次元透明バーコード２への近赤外光または赤外光の照射により可視光発光が生じる原理について説明する。この赤外光励起により可視発光する原理は、アップコンバージョン過程によるものである。

蛍光体の発光波長は、通常、励起波長よりも長波長側に観測されるのに対して、ある種の蛍光材料は励起波長より短い波長、即ち高いエネルギー領域において発光を呈する。発光波長の高いエネルギーへの変換をアップコンバージョンと言う。アップコンバージョンが可能な蛍光材料として、例えば、希土類イオンが挙げられる。

ランタノイド系元素の希土類イオン、アクチノイド系元素のイオン及び遷移金属元素のイオンは、複数の離散的なエネルギー準位を有するため、２段階あるいは多段階の励起を行うことによって励起波長よりも短波長の光を生成できる。この短波長の光生成には、量子カウンター作用やイオン間の相互緩和によるエネルギー伝達過程が関連している。つまり、アップコンバージョン過程は、同種または異種のイオン間のエネルギー伝達や非輻射遷移過程など、多くの過程が含まれる。よって、アップコンバージョン過程は、ホスト材料やゲスト材料（ドーパント）の種類と濃度などの因子あるいは励起方法によって影響を受ける。

例えば、Ｅｒ³⁺イオンにおいて、２段階の赤外光励起によって可視光が得られるが、Ｅｒ³⁺イオンだけでは赤外／可視光変換効率は低い。１９６０年代はじめには、Ｆ．ＡｕｚｅｌがＹｂ³⁺イオンとＥｒ³⁺イオンを共添加することにより上記変換効率の顕著な増感効果を見出している。このとき、赤外光源を励起源として比較的簡単な方法で緑色光が発生できることが明らかになった。つまり、Ｙｂ³⁺イオン（増感剤）によって吸収されたエネルギーがＥｒ³⁺イオン（活性剤）へエネルギー伝達され、可視光が生じる。Ｙｂ³⁺イオンは励起状態の準位が一つのみであるため波長１μm付近の吸収強度が強い。また、励起子どうしの衝突によりエネルギー相互変換されてしまう濃度消光の影響も低く、励起状態の寿命が比較的長いので有効な増感作用が起こる。

図３は、アップコンバージョンの過程を説明するエネルギーバンド図の一例である。図３に記載されように、Ｙｂ³⁺イオンＡ及びＹｂ³⁺イオンＢによって吸収された赤外励起光のエネルギーは、Ｅｒ³⁺イオンに２段階の過程でエネルギーが伝達される。まず、Ｙｂ³⁺イオンＡからＥｒ³⁺イオンへエネルギー伝達Ａがなされる。これにより、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー準位は、赤外発光が可能な励起準位Ａへと上昇する。一方、Ｙｂ³⁺イオンＡのエネルギー準位は、基底状態に戻る。次に、Ｙｂ³⁺イオンＢからＥｒ³⁺イオンへエネルギー伝達Ｂがなされる。これにより、既に励起準位ＡとなっていたＥｒ³⁺イオンのエネルギー準位は、可視発光が可能な励起準位Ｂへと上昇する。一方、Ｙｂ³⁺イオンＢのエネルギー準位は、基底状態に戻る。このＹｂ³⁺イオンを増感剤として用いた場合の赤外／可視光変換効率は、Ｅｒ³⁺イオン単独の場合に比べて大幅に向上する。

なお、活性剤としては、Ｅｒ³⁺イオンの代わりにＴｍ³⁺イオンやＨｏ³⁺イオンなどが使用される。上記アップコンバージョン過程の応用例としては、希土類イオンを添加したファイバーレーザ、特に弗化物ファイバーの半導体レーザ励起によるものが知られている。

また、アップコンバージョンが起こる場合に同時に、励起エネルギーの一部およびアップコンバージョンエネルギーと発光エネルギーとの差のエネルギーが、フォノン過程としてホスト材料などの外部へ離散する。また、Ｙｂ³⁺イオンやＥｒ³⁺イオンの赤外発光として励起エネルギーが放出される。これらにより、赤外発光と可視光の両方をバーコードの読み取り信号に利用することが可能である。

上述したアップコンバージョン過程では、増感剤が用いられているのに対し、本実施の形態では、蛍光体２１１に対し２つの異なる光源３１及び３２から、波長の異なる赤外光または近赤外光が照射されることによりアップコンバージョンが発生する。

図４は、本発明の実施の形態に係る、２つの異なる光源からの励起光照射によるアップコンバージョンの概念図及びその蛍光スペクトルである。本実施の形態においては、光源３１から、波長λ_Cを有する励起光Ｃが蛍光体２１１に照射され、ゲスト材料２１１Ａのエネルギー準位が励起準位Ｃへと上昇する。一方、光源３２から、波長λ_Dを有する励起光Ｄが蛍光体２１１に照射され、励起準位Ｃに上昇しているゲスト材料２１１Ａのエネルギー準位がさらに励起準位Ｄへと上昇する。このとき、波長λ_C及びλ_Dは、ゲスト材料２１１Ａのエネルギー準位を、それぞれ、励起準位Ｃ及びＤへ効率よく上昇させるのに必要なエネルギーを有する波長が選択されている。これにより、蛍光体２１１は、励起準位Ｄ及びＣに対応する励起エネルギーを可視光及び近赤外光として外部へ放射する。

情報処理部３５は、この放射された可視光及び近赤外光を、分光器３３及びカメラ３４を介し、蛍光スペクトルパターンおよびコードパターンへと変換する。

図５は、本発明の実施の形態に係る蛍光体に励起光が照射されることにより得られた発光スペクトルの一例である。同図は、ゲスト材料２１１ＡとしてＥｒを、また、ホスト材料２１１ＢとしてＹ₂Ｏ₃を使用した蛍光体２１１からの可視光の発光スペクトルである。

蛍光体２１１の合成方法は、例えば、粉末原料として酸化物Ｙ₂Ｏ₃を１０ｇ、Ｅｒ₂Ｏ₃を０．１７ｇ（０．１ｍｏｌ％に対応）を乳鉢に入れ、十分に粉砕、混合する。次に、粉砕及び混合された粉末材料、あるいは、当該粉末材料をペレット状に成型したものをアルミナルツボに入れて焼成する。焼成温度は１０００℃〜１５００℃、焼成時間は２時間〜１０時間である。以上のようにして、粉末状の蛍光体２１１が合成される。

光源３１及び３２は、例えば、波長が７００ｎｍから２０００ｎｍの半導体レーザまたはＬＥＤである。２光源３１及び３２の波長として、それぞれ、８１０ｎｍ及び９４０ｎｍ、または、８５０ｎｍ及び９８０ｎｍなどの組合せが挙げられる。

図５に記載されたように、本発明の実施の形態に係る情報読取システムによれば、紫外光励起の場合と同様の線幅の狭い発光スペクトルが観測される。前述したように、Ｅｒ³⁺イオンがゲスト材料の場合には、励起光が２段階に吸収された後、アップコンバージョン発光が生じる。なお、上記と同様の線幅を有する発光スペクトルは、他の希土類イオンにおいても観測される。このとき、ホスト材料とゲスト材料の選択及び組合せにより、発光物質の励起波長や発光波長は変化するので、様々な発光スペクトルパターンを実現することが可能となる。例えば、ホスト材料２１１ＢとしてＳｒ₄Ａｌ₁₄Ｏ₂₅及びゲスト材料２１１ＡとしてＥｕ、Ｄｙを用いた組み合わせ、または、ホスト材料２１１ＢとしてＣａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈及びゲスト材料２１１ＡとしてＥｕ、Ｔｍを用いた組み合わせなどが挙げられる。

また、光源３１及び３２から放射される励起光のパワーを独立に調整することにより、蛍光体２１１の材料及び組み合わせが同一であっても、上記発光スペクトルパターンの各々の発光強度を変化させることができる。つまり、２つの異なる光源を有する本発明の構成によれば、励起光のパワーを変化させることにより、異なる発光スペクトルパターンを得ることが可能となる。よって、本発明の構成は、１光源照射によるアップコンバージョン方式で得られる発光スペクトルパターンに比べ、発光スペクトルのバリエーションが増加するので、情報識別能力が向上する。

本実施の形態は、２つの異なる光源から異なる波長を有する近赤外光または赤外光が同時に照射されることにより発生するアップコンバージョンを利用するものである。

これに対し、２つの異なる光源から同一の波長または異なる波長を有する近赤外光または赤外光が、異なるタイミングで照射されることによりアップコンバージョンを発生させることが可能である。例えば、まず、ゲスト材料がＹｂとＥｒ、ホスト材料Ｙ₂Ｏ₃である二次元バーコードに対し、光源３１から波長８１０ｎｍの赤外励起光を照射する。その後０．２ｍｓ遅れて光源３２から、光源３１と同じ波長または異なる波長（９４０ｎｍ）を有する赤外励起光を二次元バーコードに照射する。この照射タイミングのズレは、ゲスト材料のＥｒが、光源３１による最初の励起光照射により励起状態となるのに必要な時間及び励起状態の寿命が考慮される。この照射タイミングのズレにより、同一波長または異なる波長による２光源からの励起でも、アップコンバージョンを効果的に発生させることができ、発光強度を制御することが可能である。

図６は、本発明の実施の形態に係る情報読取システムの応用例を表す図である。同図における情報読取システムは、透明な二次元透明バーコード２と携帯電話５によって構成される。携帯電話５は、二次元透明バーコードリーダ３と表示部５１とを備える。二次元透明バーコード２の有する情報が、携帯電話５に内蔵される小型の二次元透明バーコードリーダ３によって読み取られる。携帯電話５を、情報読み取りモードに設定し、二次元透明バーコード２に近づけることにより、光源３１及び３２から放射された２つの励起光が二次元透明バーコード２に照射される。これにより、二次元透明バーコード２から発光した可視域から近赤外域までの光が、分光器３３で分光され、カメラ３４で受光され、情報処理部３５で、発光スペクトルパターン及びコードパターンとして情報処理される。情報処理部３５は、上記発光スペクトルパターンと、予め取得されている暗号とを照合し、照合完了信号を制御部３６に出力する。制御部３６は、照合完了信号により、二次元透明バーコード２が認識されたか否かを表示部５１へ表示する。二次元透明バーコード２が認識された場合には、制御部３６はコードパターンに含まれる情報を表示部５１へ表示させる。

この構成により、二次元透明バーコード２はＩＣチップと比較すると情報量が限られるものの、コードパターンに加えて発光スペクトルパターンによる情報を提供することが可能である。よって、本発明の情報読取システム１は、従来の二次元バーコードの情報量を凌ぐ情報量を処理することが可能である。また、発光スペクトルパターンは、上述したゲスト材料及びホスト材料を含有する蛍光体が微量添加されていれば、情報読み取りが可能であるので、高耐久性及び低コスト化が図られる。また、二次元パターンの破損があっても、発光スペクトルパターンは読み取ることができるので、情報の喪失を防止することが可能である。また、上述したように、発光スペクトルパターンによる暗号化が可能であるので、情報改竄の危険性が低い。

また、紫外光励起に対して近赤外光励起の場合は、製品の光退色による影響が著しく低く、素材の発光などの不要な背景雑音信号成分がほとんどない。よって、近赤外光励起のため、微量な蛍光体濃度であっても十分な強度で蛍光体の信号を検知できることが特長である。近赤外光の光源としては、光出力の高い、小型かつ安価な多種類の半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）が利用できるので装置の大きさによる制約が緩和される。

また、これらの光源によって励起される蛍光体の発光スペクトルのうち狭い線幅のスペクトルが得られる複数の蛍光体材料を添加することにより、発光スペクトルの多重化が可能であり、情報量を増大させることが可能となる。

なお、二次元透明バーコードリーダ３に代表される本発明の読取装置は、簡便な半導体レーザや発光ダイオードを光源として利用でき、また、分光器やカメラも簡易的に構成できるので、携帯電話に内蔵可能な程度の大きさが可能である。さらには、故障の原因を簡易的に調べられるメンテナンス機能を備えていることが望ましい。

また、二次元透明バーコードリーダ３は、用途によっては、可視域のみに感度がある安価なＣＣＤを備えても良い。あるいは、可視域のみならず近赤外域にも感度がある高感度なＣＣＤを備えても良く、可視光用と近赤外光用の２種類のカメラ及び分光器を備えることも考えられる。

また、本発明の情報読取システムによれば、発光スペクトルの観測波長は、３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が可能である。また、本システムの小型化または高精度化を実現するためには、発光スペクトルの観測波長を、４００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下に設定することが好ましい。また、発光スペクトルの観測波長を４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光に限定することにより、本システムの更なる小型化または高精度化が実現される。

以上、本発明の情報記録媒体、その読み取り装置及び読取方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施に施したものも、本発明の範囲内に含まれる。

本発明に係る情報記録媒体、その読取装置及びその読取方法は、製造、販売、流通、リサイクル及びセキュリティなどの分野における一連の商品管理の手段として有用であり、特に秘匿性の高い情報を有する製品ラベルや商品の外観を損なわない広告宣伝媒体に適正がある。

本発明の実施の形態における情報読取システムの機能構成図である。 本発明の実施の形態に係る二次元バーコードの平面図の一例である。 アップコンバージョンの過程を説明するエネルギーバンド図の一例である。 本発明の実施の形態に係る、２つの異なる光源からの励起光照射によるアップコンバージョンの概念図である。 本発明の実施の形態に係る蛍光体に励起光が照射されることにより得られた発光スペクトルの一例である。 本発明の実施の形態に係る情報読取システムの応用例を表す図である。

符号の説明

１ 情報読取システム
２ 二次元透明バーコード
３ 二次元透明バーコードリーダ
４ 製品
５ 携帯電話
２１ 蛍光部
３１、３２ 光源
３３ 分光器
３４ カメラ
３５ 情報処理部
３６ 制御部
５１ 表示部
２１１ 蛍光体
２１１Ａ ゲスト材料
２１１Ｂ ホスト材料
２１２ 透明インク

Claims (15)

1. ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくとも１つを発光物質として有する情報記録媒体に記録されている情報を読み取る読取装置であって、
   前記情報記録媒体に近赤外光または赤外光を照射する２つの異なる光源と、
   前記近赤外光または赤外光が照射された前記情報記録媒体の前記発光物質が励起されることにより発光する可視域から近赤外域までの光を受光する光学的読取部とを備える
   読取装置。
2. 前記２つの異なる光源は、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射する
   請求項１記載の読取装置。
3. 前記２つの異なる光源は、それぞれ、異なるタイミングで、近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射する
   請求項１記載の読取装置。
4. さらに、
   前記光学的読取部で受光した可視光または近赤外光によって生成された発光スペクトルパターンと、予め記憶されている発光スペクトルパターンとを照合する照合部を備える
   請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の読取装置。
5. 光学的に読み取り可能な情報が記録されている情報記録媒体であって、
   ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくともいずれか１つを有し、２つの異なる光源から近赤外光または赤外光が照射されることにより励起され、可視域から近赤外域までの光を発光する発光物質を備える
   情報記録媒体。
6. 前記情報記録媒体は、前記２つの異なる光源から、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光が照射されることにより前記発光物質が励起され、可視域から近赤外域までの光を発光する
   請求項５記載の情報記録媒体。
7. 前記情報記録媒体は、前記２つの異なる光源から、それぞれ、異なるタイミングで、近赤外光または赤外光が照射されることにより前記発光物質が励起され、可視域から近赤外域までの光を発光する
   請求項５記載の情報記録媒体。
8. 前記ランタノイド系元素は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕのいずれかであり、
   前記アクチノイド系元素は、Ｕであり、
   前記遷移金属元素は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ及びＰｔのいずれかである
   請求項５〜７のうちいずれか１項に記載の情報記録媒体。
9. 前記化合物は、弗化物、酸化物、水酸化物、硫化物、塩化物及び窒化物のいずれかである
   請求項５〜８のうちいずれか１項に記載の情報記録媒体。
10. 前記情報記録媒体は、不可視である
    請求項５〜９のうちいずれか１項に記載の情報記録媒体。
11. 請求項１記載の読取装置と、請求項５記載の情報記録媒体とを備える
    情報読取システム。
12. 光学的に情報を読み取る読取方法であって、
    ２つの異なる光源から近赤外光または赤外光を、ランタノイド系元素、当該ランタノイド系元素を含む化合物、アクチノイド系元素、当該アクチノイド系元素を含む化合物、遷移金属元素及び当該遷移金属元素を含む化合物のうち少なくともいずれか１つを発光物質として有する情報記録媒体の表面に照射する照射ステップと、
    前記照射ステップで照射された近赤外光または赤外光により励起された前記発光物質が可視域から近赤外域までの光を発光する発光ステップと、
    前記発光ステップで発光した前記可視光を受光する受光ステップとを含む
    読取方法。
13. 前記照射ステップでは、
    前記２つの異なる光源から、それぞれ、異なる波長を有する近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射する
    請求項１２記載の読取方法。
14. 前記照射ステップでは、
    前記２つの異なる光源のうち第１の光源から、第１の波長を有する近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射する第１照射ステップと、
    前記第１照射ステップの後、所定の時間差をおいて、前記２つの異なる光源のうち第２の光源から、前記第２の波長を有する近赤外光または赤外光を前記情報記録媒体に照射する第２照射ステップとを含む
    請求項１２記載の読取方法。
15. さらに、
    前記受光ステップで受光した可視域から近赤外域までの光により生成された発光スペクトルパターンと、予め記憶されている発光スペクトルパターンとを照合する照合ステップを含む
    請求項１２〜１４のうちいずれか１項に記載の読取方法。