JP3790931B2 - 蛍光及び燐光検出装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は有価証券または紙幣のようなシート材から放射される蛍光及び燐光を検出するための装置及び方法に関する。
発明の背景
シート材から放射される蛍光及び燐光を検出するための装置は米国特許第３，４７３，０２７号により既に知られている。該特許で説明される装置は、紫外励起光でシート材を照射するための照明装置を有している。前記シート材は紫外励起光で連続的に照射されることが望ましい。必要であれば、シート材をクロックされた光で照射することもできる。ここで‘クロックされた光’とは、光源をクロックパルスで制御して反復点滅させることにより得られる、反復光パルスを指していう。シート材から放射される光はセンサにより検知される。この目的のため、この放射光はレンズ系によりプリズム上に結像され、次いでこのプリズムが放射光をいくつかの波長範囲に分解する。それぞれの波長範囲はさらにレンズ系によりそれぞれの検出器に結像され、次いでこの検出器が受けた波長範囲の光強度に比例する電気信号を発する。前記シート材をある経路に沿って所望の分解能で検出できるようにするため、シート材は前記照明装置及びセンサを通過する搬送方向に沿って搬送系により搬送される。
前記既知の装置の難点は、シート材から放射される光を蛍光成分と燐光成分に分離できないことである。
発明の概要
本発明は、シート材から放射される光を蛍光成分及び燐光成分に分離することができる、シート材からの蛍光及び燐光を検出するための、装置及び方法を提供するという課題に基づく。
前記課題は主クレイム及び独立クレイムの特徴記述部分に示される特徴により解決される。
本発明に従えば、センサがクロックされた励起光の明相の間の第１の放射光強度、及びクロックされた励起光の暗相の間の第２の放射光強度を検出する。評価装置において、クロックされた励起光の前記明相及び暗相で検出された光強度から放射された蛍光の強度及び放射された燐光の強度が導びかれる。放射された燐光の強度は暗相の光強度に対応し、放射された蛍光の強度は明相時の光強度と暗相時の光強度の差として導かれる。
シート材から放射される光を蛍光成分と燐光成分に分解できることが、ここでの長所である。
前記センサは、シート材の前記照明装置により照射される領域の内側で、この領域の（搬送方向の）末端に向かう、放射光強度を検出することが望ましい。さらにシート材の前記照明装置による照射領域は大きく、所望の分解能の倍数となるように選ばれる。
上記により、高強度光による長時間の予備照射を確実に行えるので、放射される燐光の強度を比較的高くできる。
本発明の装置の望ましい実施の形態及び本発明の方法の実行を、以下に図面を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、照明装置の光強度を含む、装置の略図である。
図２は、クロックパルス間の関係を示す略図である。
図３は、放射光の強度パターンである。
発明の詳細な説明
図１ａは、本発明の装置の望ましい実施の形態の略図を示す。透明な窓１１をもつ遮光ハウジング１０内に、照明装置２０及び２つのセンサ３０及び４０がある。窓１１は励起光の波長範囲並びに放射される蛍光及び燐光の波長範囲のいずれも通過させる。
照明装置２０は、放射される蛍光及び燐光が検出されるべき波長範囲を通過させないフィルタ２２をもつ遮光ハウジング２１を有する。ハウジング２１内には、図には示されていない制御装置により適切にクロックされた励起ランプ２３がある。励起ランプ２３から放射される光は、少なくとも蛍光及び燐光の放射を励起するに必要な波長範囲を含む。
励起ランプ２３としては、少なくとも紫外線を放射するガス放電ランプを用いることが望ましい。蛍光ランプまたは蛍光物質を含まないガス放電ランプを励起ランプ２３として用いることもできる。さらに、励起希ガスとハロゲンとの反応により光を放射するガス放電ランプも用いることができる。
センサ３０及び４０は実質的に相似の構成になっている。これらのセンサは、前記シート材により放射される光を放射光強度に比例する電気信号に変換するアレイ型検出器３１，４１をもつことが望ましい。アレイ型検出器３１，４１としては、例えば光ダイオードアレイまたはＣＣＤアレイを用いることができる。例えば前記シート材上の検出されるべき経路が１本だけであれば、アレイ型検出器３１，４１を単素子検出器で置き換えることもできる。アレイ型検出器は、シート材の全幅にわたって放射される光を連続する経路で検出できるように選ばれることが望ましい。
さらにセンサ３０，４０はそれぞれ、シート材の前記所望の分解能より小さいことが望ましい領域をアレイ型検出器３１，４１の検出素子上に結像させるための光学系３３，４３を有する。光学系３３，４３としては、例えばレンズ系を用いることができる。しかし、光導電材料の結像ユニットを少なくとも１つ有する光学系３３，４３を用いることが望ましい。光導電材料の結像ユニットの利点はレンズ系よりも構成がかなりコンパクトになることである。
さらにフィルタ３２，４２がセンサ３０，４１の光軸３４，４４に備えられる。フィルタ３２，４２の波長範囲の適切な選択は以下で扱われる。
装置を確実にコンパクトな構造とするために、センサ３０，４０の光軸３４，４４は搬送方向Ｖに垂直な軸に対して角度αだけ傾けられる。窓１１での望ましくない反射は、少なくとも角度αで入射する光に対して透明窓１１を無反射化することにより防止できる。さらにフィルタ２２は、前記搬送方向に垂直な軸に対してそれぞれ固定角度βだけ開いた配置の２枚のフィルタ板からなる。角度βはβ＝９０°−αとして得られる。
シート材５０は、図には示されていない搬送装置によりある与えられた搬送速度Ｖで、矢印で示された搬送方向に、照明装置２０並びにセンサ３０及び４０を通過して搬送される。
図１ｂは、前記照明装置によりつくられる励起光強度を、前記搬送方向における空間的広がりに対して、相対単位で示す。照明装置で照射される領域Ｂにおいては、励起光強度は初め最大値まで上昇し、次いで該領域の他端で再び低下する。センサ３０，４０は励起光の最大強度に対して対称に配置され、照射領域Ｂ内の放射光強度を検出する。図の実施の形態においては、センサ３０及び４０は励起光強度が１／２に低下したところで放射光強度を検出する。
センサ３０，４０の１つで検出された強度を前記シート材の搬送方向における一定の場所と対応できるようにするために、クロックパルスＴがつくられる。前記クロックの周波数は、搬送系の搬送速度Ｖと搬送方向における所望の局所分解能Ａの商として得られる。Ｔ＝Ｖ／Ａが成立する。例えば、搬送速度がＶ＝１０ｍ／ｓで所望の解像度Ａが２ｍｍであれば、クロック周波数Ｔ＝５ｋＨｚが得られる。クロックは、パルス間隔Ｐ＝１／Ｔの１／２に対して論理１をもち、前記パルス間隔のもう一方の１／２に対して論理０をもつことが望ましい。
図１ｃおよび１ｄは、紙幣５０をクロックパルスＴとともに示す。クロックＴのクロック周波数の上記定義により、クロックＴの論理１または論理０がそれぞれ搬送速度Ｖとは独立に紙幣５０の一定の場所に確実に結びつけられる。所望の解像度Ａはいずれの場合にもクロック周期Ｔを含む。
シート材５０からの放射される蛍光及び燐光を検出するためには、まず照明装置２０からのクロックされた励起光でシート材５０を照射する。センサ３０は、照射領域Ｂ内を照射領域の（搬送方向の）末端に向かって、望ましくは励起光の最大強度より後方で、シート材５０による放射光を検出する。
照射領域Ｂは所望の分解能Ａよりはるかに大きいから、シート材５０の搬送期間中、分解能Ａに相当する領域はそれぞれ照明装置２０からの励起光により数クロック周期Ｔにわたって照射される。センサ３０は前記照射領域の（搬送方向の）末端に向かって、望ましくは励起光の最大強度より後方でのみ放射光強度を検出するから、シート材５０の領域Ａのそれぞれは前記放射光がセンサ３０により検出されるまでに高強度の予備照射を比較的長時間受けることができる。
長時間の高強度予備照射により、放射される燐光の初期強度Ｉ₀は比較的高い。燐光性物質からの放射光強度は初期強度Ｉ₀に依存し、時間とともに指数関数的に減衰するから、正確な測定のためには高い初期強度Ｉ₀が必要である。時間の関数としての燐光性物質の放射光強度は、方程式Ｉ(ｔ)＝Ｉ₀/(１＋(ｔ/τ)_a)を満たす。強度が１／２になるまでの減衰時間τ及び値ａは燐光放射物質の特性である。
放射光検出の時間履歴を図２に示す。クロックパルスＴ₁からＴ₃は異なる搬送速度Ｖにおけるクロックであり、上記の方程式により定められる。クロックされた励起光の前記明相及び暗相は、クロックパルスＬによりつくられる。明相において励起ランプ２３は、クロックＴより周波数が高い、ある値の、自由選択可能なクロックパルスＬによりクロックされる。クロックＴの論理が１である初めの部分においてクロックＬはある一定数の論理１を励起ランプ２３の前記制御ユニットに送る。クロックＬの論理１毎に励起ランプ２３は光パルスを発する。よって明相においては、クロックＴの初めの部分において放射されるある一定数の光パルスを有する励起光が得られる。クロックＴの後半ではクロックＬは論理０を出し、励起ランプ２３による励起光放射はない。
従って放射光強度Ｒは明相の間ほぼ一定であり、前記放射光の全波長幅を含んでいる。放射される蛍光及び燐光の波長範囲のみを透過させるため、センサ３０の光軸３４にフィルタ３２が備えられることが望ましい。
励起光の最終光パルスの後に始まる暗相においては、放射される燐光の強度のみがなお存在し、選ばれた物質に依存する上述のベキ乗則に従って減衰する。
クロックパルスＤは、センサ３０による放射光検出時間を制御する。クロックＤは論理１をもつ２つの領域を含む。第１の領域は前記明相の領域における放射光の検出を制御し、第２の領域は前記暗相の領域における検出を制御する。クロックＤの前記第１の領域と第２の領域の間の時間間隔は、一定であるように選ばれる。クロックＴの第１の領域の先端からクロックＤの先端までの時間間隔も、一定である。クロックＤの時間領域及びその明相及び暗相における位置は基本的に任意に選ばれる。しかしクロックＤの第１の領域の位置と幅は、放射光強度がクロックの明相において前記最終光パルスの間に測定されるように選ばれることが望ましい。クロックＤの第２の領域の位置は、暗相において前記最終光パルスから一定の時間間隔をおいた後に放射光強度が測定されるように置かれる。前記一定の時間間隔は、ありうる最短のクロックＴの内に暗相における放射光強度の検出ができるように選ばれる。
クロックＴは、上述したように前記シート材の搬送速度Ｖに依存するから、搬送速度Ｖの変化にともなって変化する。前記明相または暗相における放射光強度の検出に関する上述の方法はクロックＴの初めの部分にのみ依存するから、クロックＴの低速化、すなわち搬送速度Ｖの低下はある限度内で許容される。暗相における放射光の検出は最終光パルスからある一定の時間間隔をおいた後になされるから、暗相における放射光強度の再現性もまた放射される燐光の強度の前記指数関数的減衰にも関わらず確保される。
放射される蛍光の強度及び放射される燐光の強度は、いずれの場合にも、クロックされた励起光の前記明相及び暗相において検出された強度から導かれる。例えば放射される燐光の強度は暗相における強度に対応する。放射される蛍光の強度は明相における強度と暗相における強度との差として導かれる。ここで専門家が他の数学的操作を用いて放射される蛍光あるいは燐光の強度を導くことももちろん可能である。
第２のセンサ４０を用いれば、異なるいくつかの波長範囲で前記シート材による放射光を検出することができる。この目的のため、フィルタ４２が放射される蛍光及び燐光の部分波長範囲のみを通過させるために、センサ４０の光軸４４に備えられる。センサ３０，４０は照明装置２０の最大強度に対して対称に配置されているから、センサ４０は搬送方向において前記照射領域の初めの部分、望ましくは励起光の最大強度より前方において放射光強度を検出する。従ってセンサ４０による放射光検出の間、前記燐光性物質が受ける予備照射は無視可能なほど少ないものでしかない。すなわち、前記暗相においてセンサ４０により検出される放射光は実質的に不要な迷光のみであり、よって暗相においてセンサ４０により検出される光強度は、例えばその他全ての測定強度を標準化するために用いられる。前記明相の間にセンサ４０により検出される放射光は、フィルタ４２によりある一定の波長範囲に制限される、放射される蛍光を含む。
従って励起光の明相の間放射される蛍光の全強度はセンサ３０より導かれ、ある一定の波長範囲の放射される蛍光の強度はセンサ４０より導かれる。例えばセンサ３０の前記全検出強度とセンサ４０の検出強度との差をとれば、センサ４０の波長範囲と補色の関係にある波長範囲の、放射される蛍光の強度を導くこともできる。
前記暗相の間、センサ３０は放射される燐光の強度を検出する。前記導かれた強度を、クロックＴにより所望の分解能Ａで紙幣５０上の場所と対応させることができる。
本方法の結果として、図３ａに示すように、前記シート材の全長にわたりそれぞれの経路にそって、センサ３０，４０のそれぞれに対する波長範囲に従い分解された、放射光強度パターンが得られる。前記明相においてセンサ３０は放射光の全波長範囲を含む強度パターンＩ_Fを検出する。明相においてセンサ４０は、ここで例えば赤色波長範囲の放射光のみを含む強度パターンＩ_Rを検出する。黄色−緑色放射光の強度パターンＩ_Gは、強度パターンＩ_Fと強度Ｉ_Rパターンの差として得られる。さらに、図３ｂに示す前記暗相における放射光に対する強度パターンＩ_Pが得られる。次いで上に説明したように、前記強度パターンから燐光及び蛍光について異なる波長範囲における強度が導かれる。
以上説明したように、経路を適切に選ぶことにより、全シート材により放射される蛍光及び燐光を所望の分解能で検出することができる。

Claims (7)

1. シート材から放射される蛍光及び燐光を検出するための方法であって、該方法が：
   −クロック制御された励起光により前記シート材を照射し；
   −前記シート材により放射される光を検出し；
   −前記シート材を前記励起光及び前記シート材により放射される光の検出領域を通過させて搬送方向に搬送する；
   各工程を含み、それによって、
   −クロック制御された励起光の明相において放射光強度を検出し、また前記励起光の暗相において放射光強度を検出し；
   −放射される蛍光の強度及び放射される燐光の強度を、クロック制御された励起光の前記明相及び前記暗相において検出された前記強度から導く；
   ものである方法において、
   −放射される蛍光の前記強度を前記明相における前記強度と前記暗相における前記強度との差として導き；
   −放射される燐光の前記強度が前記暗相における前記強度に対応する；
   ことを特徴とする方法。
2. 励起光の前記クロックを前記シート材の前記搬送速度と分解能との商として選ぶことを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
3. クロック制御された励起光の前記明相において一定数の光パルスを発することを特徴とする請求の範囲第２項記載の方法。
4. クロック制御された励起光の前記明相における前記強度を前記一定数の光パルスのうちの最終光パルスの間に測定することを特徴とする請求の範囲第３項記載の方法。
5. クロック制御された励起光の前記暗相における前記強度を前記一定数の光パルスのうちの最終光パルスから一定の時間をおいて測定することを特徴とする請求の範囲第３項記載の方法。
6. 前記シート材による放射される光の検出領域を検出の前に励起光により励起光の数クロックにわたって照射することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
7. 前記シート材により放射される前記光をいくつかの異なる波長範囲で検出することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。

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