WO2003077193A2 - Vorrichtung zum optischen nachweis von sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem material - Google Patents

Vorrichtung zum optischen nachweis von sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem material Download PDF

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WO2003077193A2
WO2003077193A2 PCT/EP2003/002486 EP0302486W WO03077193A2 WO 2003077193 A2 WO2003077193 A2 WO 2003077193A2 EP 0302486 W EP0302486 W EP 0302486W WO 03077193 A2 WO03077193 A2 WO 03077193A2
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light
cell
security marking
cholesteric
detector
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Robert Maurer
Anton Huber
Stefan Beiergrösslein
Klaus-Werner Triebkorn
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Consortium für Electrochemische Industrie GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for the optical detection of security marks made of liquid-crystalline material on the basis of polarization and spectrally selective transmission or reflection and their use.
  • Data carriers with optically variable security elements are known.
  • security marks made of liquid crystalline material, which are identified on the basis of color and polarization of the transmitted and reflected light.
  • Liquid crystal forms that can be used for this purpose, the use of quarter-wavelength films and polarizers for detecting circular polarization and the production of structured films are also described.
  • GB2282145 (applicant: CRL) discloses the production of security marks from pigments of different colors and polarizations, with a first pigment only becoming visible when viewed at an angle and a second pigment, which was visible when viewed vertically, disappearing at an oblique angle.
  • DE19541028 (corresponds to US 5888444; applicant: Daimler-Benz) describes effect lacquers for objects to be lacquered with liquid crystal pigments, which bear a label for recognizing and characterizing the object. The marking takes place via the surface structure of the
  • Pigments with a layer thickness> 0.5 ⁇ m according to the principle of the barcode or by defined spectral behavior or by color samples. Methods for producing the effect lacquer and the marked pigments are also described.
  • optically variable security elements from at least two prints are known.
  • the first imprint is structured with the Data medium of contrasting color
  • the second print is made with optically variable pigments with little or no body color and at least partially overlays the first print. Manufacturing methods for such optically variable security elements are also described.
  • validator is known from US5596402 (applicant: Flex Products Inc.), a hand-held device which has a standard light and two mirrors which illuminate the security feature at different angles and thus make it easier for the untrained eye to recognize the color flop of the security element.
  • EP 0899120 (applicant: Consortium for electrochemical industry) contains a very detailed description of many possible arrangements for detecting the authenticity of cholesteric pigments with reflection in the visible spectral range.
  • Different illumination sources are described here, as spectrally selective sources also lasers and metal halide lamps, the latter typically emit several lines in a larger spectral range and can therefore only be used with additional spectral filters.
  • color filters For spectral selection, the use of color filters is recommended, which can be moved in front of the detector using a filter wheel or comparable arrangements.
  • LEDs on an inorganic or organic basis as a light source, and the particularly simple use of spectrally selective light sources for scanning the cholesteric band.
  • the known combinations of quarter-wave plate and polarizers are described for polarization.
  • EP 0899119 (Consortium for the electrochemical industry) describes the detection of the reflection in the non-visible spectral range largely analogously to EP0899120.
  • the object of the invention is to provide a simple, robust, inexpensively producible device for verifying a security marking containing liquid-crystalline material with a cholesteric reflection band, which illuminates the security marking by means of an illumination unit with one or more spectrally restricted light sources and which is reflected by the security marking or by means of this transmitted light in a detection unit for circular polarization.
  • the object is achieved by a device which is characterized in that it contains no moving parts for detecting the circular polarization and for changing the color of the lighting unit.
  • the spectrally restricted light sources preferably have a bandwidth of at most 100 nm, particularly preferably a bandwidth of at most 50 nm.
  • one or preferably several LEDs can serve as the spectrally restricted light source.
  • LEDs are available in the visible and IR spectral range with various emission wavelengths and they also work with low energy consumption. Mechanically moving parts, such as the filter wheels described several times in the patent applications mentioned, can be avoided in this way.
  • the emission bandwidth of LEDs is usually too large to enable a detailed scanning of the cholesteric band, but it is readily possible and preferred to select several LEDs so that the cholesteric band of the material forming the security marking spectrally emits the light of one or more shifted LEDs reflected, while the light of one or more further spectrally shifted LEDs remains unreflected.
  • the same can be done with other spectrally restricted light sources.
  • the light sources can emit both in the ultraviolet, preferably 250 nm to 380 nm, in the visible, between 380 nm and 780 nm, or in the infrared spectral range, preferably between 780 nm and 3000 nm.
  • three LEDs are selected so that the cholesteric band of the material forming the security marking reflects the light of a first LED, while the light of a second, spectrally shifted emitting LED and possibly also the light of a third spectrally shifting emitting LED remains or at least remains unreflected is reflected much weaker (see Fig. 1).
  • LEDs emitting in the IR a lighting unit for cholesteric reflectors can be created from this spectral range.
  • the device according to the invention has only one detection unit for analyzing the reflected or transmitted light (FIG. 2 b).
  • the reflected light is detected by polarizers of opposite circular polarization on two separate detection units (FIG. 2a). This easily leads to an erroneous display of existing polarization selectivity if the sample is structured in color or is slightly inclined (see comparative example 1). This can only be avoided by using a single detector.
  • the present invention avoids moving parts entirely through a special construction of the detection unit.
  • the detection unit according to the invention preferably comprises an analyzer and a light detector.
  • the analyzer preferably comprises a switchable LC cell, if necessary with a quarter-wave plate and polarizer and subsequent photodiode as the only detector, the LC cell with quarter-wave plate and polarizer in one state transmitting right-handed and in the other left-handed polarized light.
  • the analyzer contains, for example, a twisted nematic
  • TN cell Liquid crystal cell
  • VWP quarter-wave plate
  • linear polarizer Liquid crystal cell
  • the optical axis of the VWP is oriented at 45 ° or 135 ° to the entry director of the TN and the polarizer is parallel or crossed to the exit director of the TN cell.
  • This arrangement transmits circularly polarized light of one handedness and blocks the opposite handedness. Switching between the two polarization states takes place by applying an electrical voltage to the LC cell ("Off" to "On").
  • a TN cell for example, can be used as the LC cell, which rotates the polarization of the incident linearly polarized light largely independently of temperature and wavelength by 90 ° (Off) or 0 ° (On) (11).
  • a TN cell is constructed from the two substrates for the inclusion of the nematic liquid crystal (Nemat; e.g. ZLI-1565 available from E-Merck Darmstadt), a transparent electrode structure on the substrates and an orientation layer thereon for the planar Alignment of the nemate, still with spacers to adjust the thickness, finally filled with the nemate itself.
  • Nemat ematic liquid crystal
  • the linear polarizer (12) finally lets the light to the light detector (9) or absorbs it.
  • the LED light emission and the transmission polarization of the analyzer are preferably controlled by an inexpensive microprocessor, which is also used for further processing of the individual measured values obtained at the light detector (9).
  • the influence of the ambient light which can cause a disturbing background signal due to surface reflections, can preferably be eliminated by means of a pulsed LED control and corresponding frequency filters. Such methods are known under the term "lock-in technique".
  • Another way to improve the signal-to-noise ratio is to illuminate the security marking by the analyzer and thus polarize the incident light in a circular manner (FIG. 2 c). Since circular polarization is maintained during cholesteric reflection remains, while it is inverted when it is reflected from surfaces, only the portion of reflected light that is caused by cholesteric reflection reaches the light detector, whereas the inverted portion is absorbed by the circular polarizer on the way back.
  • the detector can be arranged in such a way that light reflected obliquely from the sample falls on it (FIG. 2 d).
  • the cholesteric reflection band thus occurs at a shorter wavelength, so that, for. B. with an LED color, to which polarization selectivity was detected in the vertical incidence, this now does not occur or, conversely, occurs at an oblique angle, while it does not occur in the vertical incidence of light.
  • the invention thus also relates to a device which is characterized in that the reflection of the light from a spectrally restricted light source takes place at an oblique angle and the short-wave displacement of the cholesteric reflection band is thereby used.
  • FIG. 2 e Another alternative is the detection of the transmitted light in transparent samples under vertical or oblique illumination (FIG. 2 e).
  • the incident light is circularly polarized only in the region of the cholesteric band, which can be demonstrated just as well by the arrangement described above.
  • the intensity outside the cholesteric band is not minimal but maximum, as with reflection but the same for both circular polarizations.
  • a device according to the invention is largely maintenance-free and insensitive to vibrations.
  • a scan of the cholesteric band is always described, which generally requires an expensive spectrometer or several narrow-band and expensive interference filters.
  • a broader scan by the emission band of LEDs is completely sufficient, as this characteristic of the existing or missing reflection is described by comparing only two intensities. Since the band shape of the cholesteric reflection can depend on the processing of the LC pigments and the usage-related aging, a more precise scanning of the band seems too prone to errors anyway.
  • Typical LED emissions are about as wide as cholesteric reflection bands from liquid crystals with a birefringence around 0.1.
  • the light of one LED is polarized by the reflection on the cholesteric security marking, while the light of a second LED remains unreflected and unpolarized.
  • This adjustment can of course also be carried out via the angle dependence of the cholesteric reflection.
  • the cholesteric reflection is thus characterized minimally by 4 intensities, namely the intensity of the reflected light with right-handed and left-handed circular polarization inside and outside the reflection band.
  • the degree of polarization to be calculated from this for the respective color can vary between 0% (no polarization) and 100% (perfect polarization), so realistic values are outside preferably close to the reflection band
  • 0% particularly preferably between 0% and 5%, and within the reflection band above, preferably between 5% and 100%.
  • LC cells can be used for inversion of the circular polarization (FLC, Pi cell, switchable
  • Half-wavelength plate, inplane switching appear less attractive because they are either more complex and therefore more expensive, or are more dependent on temperature and wavelength.
  • the authenticity detector according to the invention comprises a lighting unit. unit (5).
  • This contains the LEDs suitable for the characterization of the desired cholesteric liquid crystal.
  • Several LEDs of different emission colors and arranged at a short distance from each other are available today, so that the entire lighting unit can be viewed as a point light source.
  • the tuning is preferably carried out so that the emission color of an LED is within the emission color of a second LED outside the cholesteric reflection band. This can be achieved through different emission colors, cholesteric reflection wavelength or angle of incidence. In the case of oblique light, the short-wave shift of the reflection band must be taken into account.
  • the light from the lighting unit falls on the cholesteric safety marking (6).
  • This can be improved by suitable optics or a light-guiding element.
  • the entire surface of the cholesteric film can consist of liquid crystalline material or contain so-called LC pigments in a matrix.
  • EP 899120 and EP 899119 have already described numerous possible arrangements for reflecting and transmitting security elements.
  • the reflected light is analyzed in the detection unit (comprising a light detector (9), a VWP (10), a TN cell (11) and a linear polarizer (12)).
  • Each of the three partial images a - c describes the behavior without (“off”) and with (“on”) switched-through cell in right (13) and left-handed (14) circular polarization of the incident light.
  • the right-handed circularly polarized light reflected by the reflection band of the LC material of the security marking is reflected in the detector.
  • tion unit first transformed into linearly polarized light by a VWP (10).
  • Circular polarization is therefore present when the intensity between the switching states of the TN cell differ significantly with the same LED emission. In contrast, the intensity changes only slightly with linear or no polarization.
  • the microprocessor switches off the LED of the first color, the second LED (emission color green) and determines the corresponding values for this LED and so on (see Fig. 4 a).
  • the intensities for all LED colors can also be recorded for a switching state of the cell and then the intensities in this state after the cell has been switched over (FIG. 4b). This has the advantage in particular in the case of automatic testing in a production process that the number of switching operations of the cell, which are generally slower, are minimized.
  • All types with corresponding inputs and outputs for controlling the sequence and recording the intensities or corresponding combinations of processor and peripheral modules are suitable as processors. Such processors and their application are state of the art.
  • the authenticity detector according to the invention detects the properties of the wavelength and polarization selectivity typical of cholesteric reflection as well as the so-called color flop of a security marking containing cholesteric material. These properties can only be reproduced with difficulty by other materials, so that when these properties are displayed by the authenticity detector, it can be concluded with a high probability that a genuine cholesteric security mark is present.
  • security markings are already on the banknotes of several countries.
  • the device according to the invention is therefore, for example, a detector for checking the authenticity of banknotes, data carriers, securities and identification cards with cholesteric pigments as a security marking.
  • the simple construction of the authenticity detector according to the invention and the low price to be expected make it widely used T EP03 / 02486
  • the authenticity detector according to the invention could similarly enable the checking of banknotes for the much more complex effects of cholesteric reflection.
  • Further application examples are securities, ID and credit cards, admission tickets. Since the authenticity signal is already available as yes / no information, that is to say digitally, the authenticity detector according to the invention is also particularly suitable for machine proof of authenticity.
  • 1 shows an example of the reflection spectrum of a pigment sample with green cholesteric LC silicone for vertical viewing (1) and the emission of a blue (2), green (3) and red (4) LED.
  • VWP quarter wavelength plate
  • the angle specifications relate to the alignment of the optical axis and the direction of polarization; alternative arrangements are given in brackets (TN cell always in the off state): a) Separate detection for right-handed and left-handed circular polarization (prior art); b) rh / lh detector with TN cell; c) rh / lh detector with illumination and detection by TN cell; d) detection of the color flop; e) Detection in transmission.
  • VWP 10 quarter wavelength plate
  • FIG. 4 shows an example of the time course of two possible signal processing operations of the authenticity detector according to the invention using the example of red-green-blue LEDs: (a) sequentially according to colors or (b) polarization. Electrical polarization due to ion migration in the TN cell is avoided by alternating positive and negative voltages.
  • Example la Illumination unit of the authenticity detector with RGB LEDs
  • LEDs with multiple emission colors have been available in a single housing.
  • RGB LED order no. 185388-62 available from Conrad Electronic, Hirschau
  • the light from the LED strikes the substrate to be examined from a short distance (1 cm) and is reflected by it at an angle of incidence of almost 0 ° to the detection unit.
  • the light from the LED was directed onto the substrate to be examined using a light guide (Plexiglas ... 10 mm 0).
  • Example lb Detection unit of the authenticity detector with a photodiode
  • the detection unit since the spectral selectivity in the authenticity detector according to the invention is already provided by the use of LEDs as the light source, the detection unit only has to analyze the polarization of the reflected light. This is done by a VWP (P-V140 available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach), whose optical axis includes 45 ° with the director orientation on the adjacent side of the TN cell. Said TN cell was produced from two glass substrates which had previously been coated with polyimide (available under the name ZLI-2650 from Merck, Darmstadt), rubbed with velvet and arranged at 90 °, glued with 5 ⁇ m spacers and with a nematic liquid crystal ( available under the designation ZLI-1565 from Merck, Darmstadt).
  • polyimide available under the name ZLI-2650 from Merck, Darmstadt
  • a nematic liquid crystal available under the designation ZLI-1565 from Merck, Darmstadt.
  • a linear polarizer (PW-44 available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach) is arranged on the other side of the TN cell parallel to the direction of the director on this side of the TN cell.
  • a photodetector (S1226-8BK available from Hamamatsu Photonicstechnik GmbH, D-82211 Herrsching) with suitable electronics is used to detect the incident intensity.
  • the entire detector thus shows the following intensities for the respective polarization of the incident light: *
  • the designations refer to the irradiated intensity, so that with “bright” essentially all of the incident light is transmitted, with “semi-dark” approx. 50% and with “dark” no light.
  • the VWP or the linear polarizer are rotated by 90 °, the individual signals are then inverted.
  • Example 2 Possible signal processing of the authenticity detector for a green right-handed reflective pigment with RGB detection
  • a program query about the authenticity of the green, right-handed pigment is as follows or similar:
  • the processor can also output other electrical, visual or acoustic signals.
  • a green LED was switched on for "real”
  • a red LED for "false”.
  • a one-time beep for "real”, repeated beeps for "wrong” etc. would also be conceivable.
  • Comparative Example 1 Authenticity detector with RGB LED and separate polarization detection
  • the light reflected from the sample falls on a right-handed circular polarizer (type P-ZN / R, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach) and a photodiode or a left-handed circular polarizer (type P-ZN / L, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach) and a photodiode (Fig. 2 a).
  • a right-handed circular polarizer type P-ZN / R, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach
  • a photodiode or a left-handed circular polarizer type P-ZN / L, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach
  • Fig. 2 a For full-surface cholesteric films on a black background, the degree of polarization was up to 60%, while paper as the substrate gave a value close to 0%.
  • a sample printed in black and white could be arranged in such a way that the intensities on the two detectors differed in a manner similar to that in the case of existing circular polarization and such a polarization could be simulated.
  • Example 3 Authenticity detector with RGB LEDs under oblique lighting and a single polarization detector
  • the lighting unit from an RGB LED described in example la was arranged in such a way that the light reaching the detector was reflected on the sample with an angle of incidence of 40 ° (FIG. 2 d).
  • the cholesteric reflection of a green pigment film shifts from green to blue.
  • the signal evaluation according to example 2 now shows a high difference between the two polarization states for the blue LED and a small difference for green and red.
  • Example 4 Authenticity detector for IR
  • IR infrared LEDs
  • the polarizer was replaced by a type suitable for the IR range (type P-IR2, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach).
  • a half-wave plate was used as the quarter-wave plate in the IR.
  • Retarder for the visible area type P-V280, available from B + W-Filter, Schneider Optician Werke GmbH, Bad Kreuznach).
  • the reflection bands of the full-surface, cholesteric film used were 850 nm, the long-wave edge was 900 nm.
  • the degree of polarization was at least 30% for the (850 nm) LED and 10% for the (950 nm) LED.
  • Example 2 analog assessment scheme the trigger level was increased accordingly.
  • Example 5 Authenticity detector with transmission through the sample
  • Example 6 Authenticity detector with illumination by the TN cell
  • the lighting unit is arranged in the authenticity detector in such a way that its light falls on the sample through the analyzer of the detection unit and is thereby polarized accordingly to the instantaneous polarization state
  • Example 7 Insensitivity of detection on linearly polarizing and non-polarizing samples
  • Linearly polarized reflection was generated by placing a linear polarizer on a non-polarizing sample. This was to show whether different types of security marks could cause a misdiagnosis.
  • the measurement according to Example 2 showed slight differences in the intensity between the two polarization states for all LED colors, which without exception were below the trigger level described above. The same was true for twisted arrangements of the linear polarizer.

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

Vorrichtung zum optischen Nachweis von Sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem Material
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 be- kannt. Z.B. sind aus GB2268906 (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 Verwen- düng von Viertelwellenlängenfolien und Polarisatoren zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie die Herstellung strukturierter Filme.
Aus GB2282145 (Anmelder: CRL) ist die Herstellung von Sicher- heitsmarken 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 DE19541028 (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 DE19544130 (entspricht US 6183018 Bl; 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 US5596402 (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 Indu- strie) 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 gefah- ren 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 Po- larisatoren beschrieben.
EP 0899119 (Consortium für elektrochemische Industrie) beschreibt weitgehend analog zu EP0899120 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 Viertelwel- lenlängenretarden zur Umwandlung von zirkulär 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 Pro ektionsdisplays.
Die Einstellung der Zirkularpolarisation durch einen Linearpo- larisator und eine Viertelwellenlängenplatte (VWP) sowie Elemente vergleichbarer Wirkung, deren optische Achsen um 45° zueinander verdreht sind, ist aus den Lehrbüchern der Optik be- kannt .
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 Detektionsein- heit 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 Be- leuchtungseinheit enthält.
Vorzugsweise besitzen die spektral eingeschränkten Lichtquellen eine Bandbreite von maximal 100 nra, 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 Orga- nic Semiconductors GmbH, UK) eingesetzt werden, wobei Ihre Emissionswellenlängen vorzugsweise ebenso ausgewählt werden, wie für LEDs beschrieben. Künftig dürften auch sogenannte Quantu dots (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. 2 b). In den zum Stand der Technik diskutierten Patentanmeldungen wird das reflektierte Licht durch Polarisatoren entgegengesetzter Zirkularpolarisation auf zwei getrennten Detektionseinheiten nachgewiesen (Fig. 2 a) . 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 er- findungsgemäße Detektionseinheit umfaßt vorzugsweise einen Analysator und einen Lichtdetektor .
Der Analysator umfaßt vorzugsweise eine schaltbare LC-Zelle erforderlichenfalls mit Viertelwellenlängenplatte und Polari- sator 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 zirkulär polari- siertes 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 zirkulär 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 bewir- ken 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 zirkul r zu polarisieren (Fig. 2 c) . 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 (Fig. 2 d) . 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 choleste- rischen Reflexionsbande genutzt wird.
Eine weitere Alternative bietet die Detektion des transmittierten Lichtes bei transparenten Proben unter senkrechter oder schräger Durchleuchtung (Fig. 2 e) . Das einfallende Licht wird nur im Bereich der cholesterischen Bande zirkulär 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 bei- de Zirkularpolarisationen gleich.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist weitgehend wartungsfrei und erschütterungsunempfindlich. In einer Vorrichtung gemäß Stand der Technik wird immer eine Abtastung der cholesteri- sehen Bande beschrieben, was in der Regel ein teures Spektro- eter 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 abhän- gen 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 An- passung 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. 2 b 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 Emissionsfärbe einer LED innerhalb, die Emissionsfärbe einer zweiten LED außerhalb der cholesterischen Reflexionsbande liegt. Dies läßt sich durch unterschiedliche Emissionsfar- be, 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. 3 a ersichtlich, wird das von der Reflexionsbande des LC Materials der Sicherheitsmarkierung reflektierte rechtshändig zirkulär 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 Linear- Polarisation 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. 3 b) 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 zirkulär polarisiertem Licht zusammensetzt , führt dieses somit ebenfalls zu gleicher Intensität in beiden Schaltzu- ständen (s. Fig. 3 c) .
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 Zir- kularpolarisation 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 zirkulär 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. 4 a) . 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. 4 b) . 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 Farb- flopp 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 T EP03/02486
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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 erfin- dungsgemäße 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. Es bedeutet: 5 spektral eingeschränkte Lichtquelle
6 LC-Sicherheitsmarkierung
7 Polarisator für rechtshändige Zirkularpolarisation
8 Polarisator für linkshändige Zirkularpolarisation
9 Lichtdetektor 10 Viertelwellenlängen-Platte (VWP)
11 TN-Zelle
12 Linearpolarisator
Die Winkelangaben beziehen sich auf die Ausrichtung von optischer Achse und Polarisationsrichtung, in Klammern sind alter- native 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. P T/EP03/02486
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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 un- polarisiertes und linear polarisiertes Licht (c) . Es bedeutet:
9 Lichtdetektor
10 Viertelwellenlängen-Platte (VWP)
11 TN-Zelle
12 Linearpolarisator 13 einfallende Lichtkomponente mit rechtshändiger Zirkularpolarisation 14 einfallende Lichtkomponente mit linkshändiger Zirkularpolarisation
Fig. 4 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf zweier möglicher 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 la : Beleuchtungseinheit des Echtheitsdetektors mit RGB-LEDs
Seit einigen Jahren gibt es LEDs mehrerer Emissionsfärben 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 0) auf das zu untersuchende Substrat geleitet. Beispiel lb: Detektionseinheit des Echtheitsdetektors mit einer Photodiode
Da die spektrale Selektivität im erfindungsgemäßen Echtheits- detektor 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 (S1226-8BK 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:
Figure imgf000015_0001
* 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 Anordnung aus VWP, TN-Zelle und Linearpolarisator zur Verfügung (s. Fig. 4) . Für das Beispiel eines grünen, rechtshändig reflek- tierenden 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 Triggerle- vels 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 Be- leuchtungsstärke durch die LEDs der einzelnen Farben durchaus möglich. Im Beispiel ergab die Digitalisierung (8 Bit ... 0 bis 255) der 6 Einzelintensitäten mit einem Experimentalpro- zessor (c-control/basic Steuercomputer Typ Bestellnr. 950602 erhältlich bei Conrad Electronics, Hirschau) folgende Werte (rechts-/linkshändige Polarisationsabfrage ... rh/lh) :
Rot / rh: 21 = /th Rot / lh: 22 = 1^ Grün / rh 103 — G/rh
Grün / lh 29 — 3/lh
Blau / rh 15 ~ E/rh
Blau / lh 16 — B/lh
Eine Programmabfrage zur Echtheit des grünen, rechtshändigen Pigments lautet somit, wie folgt oder ähnlich:
Wenn [ -2 < (1^ - I^ < 2 ] und [ -2 < (IB/rh - IB/lh) < 2 ] und
Figure imgf000017_0001
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 ei- ner Photodiode (Fig. 2 a) . 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 Be- leuchtung und einem einzigen Polarisationsdetektor
Die in Beispiel la beschriebene Beleuchtungseinheit aus einer RGB-LED wurde so angeordnet, daß das zum Detektor gelangende Licht an der Probe mit einem Einfallswinkel von 40° reflek- tiert wurde (Fig. 2 d) . 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 Polari- sationszuständen und geringe Differenz für Grün und Rot.
Beispiel 4: Echtheitsdetektor für IR
Anstatt der in Beispiel la beschriebenen RDG-LED wurden 2 In- frarot-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 lb wurde der Polarisator durch eine für den IR-Bereich geeignete Type (Typ P-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 Reflexions- bände 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 2486
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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 la wurde nun so angeordnet, daß ihr Licht senkrecht durch den Film auf die Detektionseinheit nach Beispiel 1b traf (Fig. 2 e) . Folgende Intensitäten ergaben sich für die einzelnen LED-Farben und Polarisationszustände (8 Bit-Digitalisierung) :
Rot / rh 130 — -"n/ h
Figure imgf000019_0001
Grün / rh 32 — -G/r
Grün / lh 127 — AG/lh
Blau / rh 125 — ^B/rh
Blau / lh 124 — -*-B/lh
Die Echtheit dieses Films wurde mit folgender Abfrage geprüft:
Wenn [-4 < (1^ - IR/lh) < 4 ] und
[-4 < dB/rh -IB/lh) < 4 ] und
Figure imgf000019_0002
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 entspre- chend zum momentanen Polarisationszustand polarisiert wird
(Fig. 2 c) . 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 polari- sierende und nicht polarisierende Proben
Linear polarisierte Reflexion wurde durch Auflegen eines Li- nearpolarisators auf eine nicht polarisierende Probe erzeugt. Hierdurch sollte gezeigt werden, ob andersartige Sicherheits- marken 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 Li- nearpolarisators .
Wie zu erwarten fanden sich bei nicht polarisierenden Proben keine Unterschiede zwischen rechts- und linkshändiger Detektion.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Verifikation einer Sicherheitsmarkierung enthaltend flüssigkristallines Material mit einer choleste- rischen Reflexionsbande, welche die Sicherheitsmarkierung durch eine Beleuchtungseinheit mit einer oder mehreren spektral eingeschränkten Lichtquellen beleuchtet und das von der Sicherheitsmarkierung reflektierte oder trans it- tierte Licht in einer Detektionseinheit auf Zirkularpolari- sation prüft, dadurch gekennzeichnet, daß diese keine beweglichen Teile zum Nachweis der Zirkularpolarisation sowie zum Farbwechsel der Beleuchtungseinheit enthält.
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.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, daß als spektral eingeschränkte Lichtquellen mehrere
LEDs (Licht emittierende Dioden) dienen.
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 .
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion des Lichtes einer spektral eingeschränk- ten 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-Flüssig- kristallzelle (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 Viertelwellen- längenplatte, 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 Austrittsdi- rektor 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. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 für einen maschinellen Echtheitsnachweis einer Sicherheitsmarkierung.
PCT/EP2003/002486 2002-03-14 2003-03-11 Vorrichtung zum optischen nachweis von sicherheitsmarken aus flüssigkristallinem material WO2003077193A2 (de)

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