Устройство автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов

Устройство автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области защиты банкнот, ценных бумаг, документов и других объектов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами), и может быть использовано для проверки подлинности указанных объектов, в том числе в системах их массового автоматизированного контроля.

Уровень техники

В настоящее время известно одно устройство проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по критерию наличия меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами) [1], включающее источник оптического излучения накачки указанных NV-центров с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, например, неодимовый лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику (длина волны излучения 532 нм), источник электромагнитного СВЧ-излучения с частотой 2,87 ГГц и фотоприемное устройство, способное регистрировать люминесценцию указанных NV-центров в диапазоне длин волн 650-750 нм. Указанное устройство проверки [1] выбрано в качестве прототипа данного изобретения.

Недостатком указанного устройства-прототипа является недостаточная полнота элементов, составляющих устройство, необходимых, как для направления оптического и СВЧ- полей на указанные объекты контроля, так и для установления различия сигналов подлинных и неподлинных объектов контроля, что может снижать качество указанной проверки при их скоростной автоматизированной проверке в условиях массового контроля.

Раскрытие изобретения

Целью данного предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка и повышение качества автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по критерию наличия меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами).

Указанная цель достигается тем, что применяют устройство автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов, содержащих метку подлинности в виде нанокристаллов алмазов с NV-центрами согласно настоящему изобретению. Устройство содержит источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, источник электромагнитного СВЧ-излучения, и фотоприемное устройство, регистрирующее излучение в диапазоне 650-750 нм, при этом дополнительно содержит источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм так, что один из указанных источников оптического излучения предназначен для первого зондирования указанной метки совместно с указанным источником электромагнитного СВЧ-излучения, а другой из указанных источников оптического излучения - для второго зондирования указанной метки в отсутствие СВЧ-излучения, также дополнительно содержит другое фотоприемное устройство так, что одно из указанных фотоприемных устройств предназначено для регистрации флуоресценции метки при ее первом указанном зондировании, а другое - из указанных фотоприемных устройств - для регистрации флуоресценции метки при ее втором указанном зондировании, а также дополнительно содержит: оптические системы для направления указанного оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм в точках первого и второго указанного зондирования в место на проверяемом объекте, соответствующее размещению метки подлинности.

В частности, устройство дополнительно содержит генератор, формирующий сигнал модуляции мощности электромагнитного СВЧ-излучения, который соединен с указанным генератором электромагнитного СВЧ-излучения, синхронные детекторы, соединенные соответственно с указанными фотоприемными устройствами и с указанным генератором задающей частоты модуляции электромагнитного СВЧ- излучения, контроллер, соединенный с указанными синхронными детекторами, и подающий механизм, обеспечивающий подачу объектов контроля в места первого и второго указанных зондирований указанной метки и после указанных зондирований в соответствующие лотки для объектов, для которых проведена проверка подлинности.

В частности, указанный источник электромагнитного СВЧ-излучения снабжен антенной, излучающая часть которой помещена в точке первого указанного зондирования. При этом устройство содержит оптические системы со светофильтрами, пропускающими излучение указанной флуоресценции с длиной волны в диапазоне 650-750 нм на фотоприемные устройства для регистрации указанной флуоресценции.

В частности, указанные источники оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм представляют собой неодимовые лазеры с преобразованием излучения во вторую гармонику с длиной волны излучения 532 нм, полупроводниковые лазеры, светодиоды или иные источники с длинами волн оптического излучения в указанном диапазоне.

В частности, элементы оптических систем для направления указанного излучения накачки с длиной волны в диапазоне 500-600 нм и его фокусировки на указанное место объекта проверки в точке указанного зондирования, и элементы оптических систем регистрации флуоресценции объекта проверки, непосредственно собирающие указанную флуоресценцию, объединены в одну оптическую систему. При этом указанная оптическая система представляет собой оптическую систему с дихроичными зеркалами для разделения указанных излучений накачки и флуоресценции и пропускающими собираемую элементами оптических систем флуоресценцию объекта проверки на фотоприемные устройства.

В частности, указанный источник электромагнитного СВЧ-излучения обеспечивает излучение в полосе частот 2,869±0,1 ГГц, а указанные фотоприемные устройства представляют собой лавинные фотодиоды, снабженные усилителями.

Описание предлагаемого устройства и его работы

Предлагаемое устройство схематически изображено на Фиг.1, где:

1 - подающий механизм,

2 - зона проверки подлинности,

В - точка первого зондирования метки,

3 - 1-й источник оптического излучения накачки NV-центров,

4 - 1-й светофильтр А,

5 - 1-я оптическая система, направляющая оптическое излучение на метку с NV центрами,

6 - 1-й светофильтр Б,

7 - 1-я оптическая система регистрации флуоресценции,

8 - 1-е фотоприемное устройство,

9 - 1-й усилитель,

10 - 1-й синхронный детектор,

11 - генератор электромагнитного СВЧ-излучения,

12 - антенна,

13 - генератор сигнала модуляции СВЧ-излучения (на Фиг.1 этот один элемент для удобства схематического представления всего устройства изображен дважды),

14 - контроллер,

Г - точка второго зондирования метки

15 - 2-й источник оптического излучения накачки NV-центров,

16 - 2-й светофильтр А,

17 - 2-я оптическая система, направляющая оптическое излучение накачки на метку с NV центрами,

18 - 2-й светофильтр Б,

19 - 2-я оптическая система регистрации флуоресценции,

20 - 2-е фотоприемное устройство,

21 - 2-й усилитель,

22 - 2-й синхронный детектор,

23 - лоток для объектов проверки, не признанных подлинными.

На Фиг.2 изображена схема энергетических уровней NV-центра, где:

³A - основной уровень,

³E - возбужденный уровень,

¹А - промежуточный метастабильный уровень.

На указанной фигуре сплошными стрелками указаны переходы, вызванные поглощением излучения накачки, штриховыми - излучательные переходы, дающие вклад в люминесценцию, и пунктирными - безызлучательные переходы, приводящие к изменению спина.

Для удобства относительное расположение энергетических уровней на указанной фигуре дано не в масштабе.

Предлагаемое устройство, изображенное схематически на Фиг.1, работает следующим образом:

Подающий механизм (1) подает объекты контроля, например, банкноты, в зону проверки подлинности (2), обеспечивая в этом случае скорость их перемещения по указанной зоне не менее 10 м/с, что требуется для скоростной автоматизированной проверки подлинности в системах массового контроля. При этом обеспечивается требуемая точность прохождения траектории места на объекте проверки, соответствующего расположению метки подлинности на подлинном объекте, по зоне проверки, например, за счет того, что размер метки превышает возможные поперечные отклонения объекта контроля при его движении.

Источники оптического излучения накачки NV-центров (3) и (15) - это источники оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, например, неодимовые лазеры с преобразованием излучения во вторую гармонику с длиной волны излучения 532 нм. Излучение указанного источника оптического излучения накачки NV-центров (3) через 1-й светофильтр А (4), пропускающий излучение с длиной волны в диапазоне 500-600 нм с помощью оптической системы (5), например, фокусирующей линзы, подается в зону контроля (2) в точку первого зондирования (В), в которой оказывается метка подлинности подлинного объекта проверки при его перемещении через зону контроля. К указанному месту подведен излучатель СВЧ антенны (12), соединенной с генератором СВЧ-излучения (11).

Под действием указанного излучения накачки происходят оптические переходы между основным уровнем ³A и возбужденным уровнем ³E (Фиг.2) NV-центров, содержащихся в нанокристаллах алмаза метки подлинности (см., например, [2]). Каждый из этих двух уровней расщеплен на три с величиной спина электронной системы m=0, 1 и -1. В слабом магнитном поле (поле Земли) уровни m=±1 вырождены. Подуровень m=0 в основном состоянии отстоит от подуровней m=±1 на энергию, соответствующую частоте 2,87 ГГц. Оптические переходы, вызывающие поглощение и связанные со спонтанным излучением, происходят с сохранением m. Коэффициенты поглощения одинаковы для всех переходов. При этом за поглощением оптического кванта только при переходе ³Am=0→³Em=0 c высокой вероятностью следует обратный переход со спонтанным излучением. При возбуждении же переходов ³Am=±1→³Em=±1 только часть NV - центров возвращает энергию в виде спонтанного излучения. Остальные передают энергию фононам решетки при безызлучательных переходах через промежуточный уровень ¹А, переводя в результате центры из состояния ³А m=±1 в состояние ³A m=0. Таким образом, оптическая накачка NV - центров приводит к тому, что часть их перекачивается на подуровень ³A m=0, потери в канале через промежуточный уровень ^lA уменьшаются и мощность флуоресценции вырастает. При включении СВЧ-излучения, резонансного с переходом между подуровнями основного состояния, происходит возврат части центров на уровни ³А m=±1, эти центры при поглощении света переводятся на уровни ³Е m=±1, и снова часть энергии уходит по каналу через промежуточный уровень ¹А. Мощность флуоресценции уменьшается. Регистрация наличия указанного уменьшения мощности флуоресценции в присутствии СВЧ-излучения, резонансного с переходом между подуровнями основного состояния, и является ключевым подтверждением подлинности объекта проверки.

Для регистрации указанного уменьшения, т.е. разницы между уровнями модуляции флуоресценции на частоте модуляции амплитуды СВЧ-поля при прохождении метки подлинности под пучком указанного излучения накачки NV-центров, флуоресценция, испускаемая объектом проверки, собирается 1-й оптической системой регистрации флуоресценции - например, объективом или линзой (7) с 1-м фильтром Б (6), пропускающим флуоресценцию в области длин волн в диапазоне 650-750 нм. Указанная 1-я оптическая система регистрации (в простейшем случае - линза) направляет собранное излучение флуоресценции на вход 1-го фотоприемного устройства (8), например лавинного фотодиода. Через 1-й усилитель (9) сигнал с указанного 1-го фотоприемного устройства подается на сигнальный вход 1-го синхронного детектора (10). Возбуждение СВЧ-полем указанной резонансной частоты обеспечивается генератором (11) и антенной (12). При этом отношение сигнала к шуму и, соответственно, надежность регистрации существенно увеличиваются, если за время воздействия на метку лазерного излучения накачки производится не менее двух периодов указанной модуляции мощности указанного СВЧ-излучения. Измерение величины изменения указанной мощности флуоресценции осуществляют методом синхронного детектирования, где в качестве опорного сигнала используют сигнал указанной модуляции мощности СВЧ-излучения. Указанная модуляция мощности СВЧ-излучения обеспечивается генератором модуляции (13), один выход которого соединен с управляющим входом указанного СВЧ-генератора (11), другой - со входом 1-го синхронного детектора (10) для опорного сигнала, третий - со входом 2-го синхронного детектора (22) для опорного сигнала. Указанная модуляция

может осуществляться как гармоническим сигналом, так и периодической последовательностью импульсов в виде меандра. Мощность указанного СВЧ-излучения в указанном месте объекта проверки подлинности модулируют с такой частотой, чтобы в течение указанного отрезка времени Δt, определяемого формулой: (D+d)/V, где D и d соответственно характерные размеры указанной метки и сечений пучков указанного оптического излучения плоскостью указанного объекта проверки подлинности, а V - скорость перемещения указанного объекта проверки подлинности, происходило не менее двух периодов указанной модуляции мощности СВЧ-излучения.

Второе зондирование метки осуществляется подобно первому зондированию, за исключением того, что оно проводится в отсутствие воздействия на метку указанным СВЧ-излучением. Излучение второго указанного источника оптического излучения накачки NV-центров (16) через 2-й светофильтр А (17), пропускающий излучение с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, с помощью 2-й оптической системы (18), например фокусирующей линзы, подается в точку второго зондирования (Г), в которой оказывается метка подлинности подлинного объекта проверки при его перемещении через зону контроля (2). Под действием указанного излучения накачки происходят в указанной метке оптические переходы между основным уровнем ³A и возбужденным ³Е (Фиг.2) NV-центров, содержащихся в нанокристаллах алмаза метки подлинности. В результате процессов, описанных выше при первом зондировании, сигнал флуоресценции вырастает, но остается постоянным в течение большей части времени второго зондирования, поскольку модулированное по мощности СВЧ-излучение, резонансное с переходом между подуровнями основного состояния в этом случае отсутствует. Как и в случае первого зондирования метки, при втором зондировании при прохождении метки подлинности под пучком указанного излучения накачки NV-центров регистрируется разница между уровнем модуляции флуоресценции на частоте модуляции мощности СВЧ-поля, но приложенного в точку первого зондирования. Для чего флуоресценция, испускаемая объектом проверки, собирается 2-й оптической системой регистрации флуоресценции - объективом (19) с 2-м фильтром Б (20), пропускающим флуоресценцию в области длин волн в диапазоне 650-750 нм. Указанная 2-я оптическая система (в простейшем случае - линза) направляет собранное излучение флуоресценции на вход 2-го фотоприемного устройства (20), например, лавинного фотодиода. Через 2-й усилитель (21) сигнал с указанного 2-го фотоприемного устройства подается на сигнальный вход 2-го синхронного детектора (22), при этом опорным сигналом для указанного синхронного детектора служит сигнал задающей частоты модуляции генератора (13).

Сигналы с выходов 1-го синхронного детектора (10) и 2-го синхронного детектора (22) поступают на вход контроллера (14), выход которого соединен с управляющим входом подающего механизма (1). 1-м синхронным детектором (10) регистрируют временную зависимость мощности флуоресценции от объекта проверки подлинности в точке первого зондирования метки В, выделяя периодическую составляющую мощности флуоресценции, измеряют величину ΔU₁ указанной составляющей и сравнивают измеренную величину ΔU₁ с величиной U₁ фонового сигнала, получаемой до и после прохождения метки под потоком оптического излучения в точке первого зондирования метки В. 2-м синхронным детектором (22) повторяют указанную процедуру измерения при нулевой мощности СВЧ-излучения в точке второго зондирования метки Г, регистрируют временную зависимость мощности флуоресценции от объекта проверки подлинности, выделяя периодическую составляющую мощности флуоресценции, измеряют величину ΔU₂ указанной составляющей, и сравнивают измеренную величину ΔU₂ с величиной U₂ фонового сигнала, получаемой до и после прохождения метки под потоком оптического излучения в точке второго зондирования метки Г. Если в процессе проверки подлинности объекта величина сигнала ΔU₁ с 1-го синхронного детектора (10) и величина U₁ фонового сигнала удовлетворяют отношению ΔU₁/|U₁|, большему некоторого, установленного заранее числа а≥1, то есть ΔU₁/|U₁|>>а, а для величины сигнала ΔU₂ со 2-го синхронного детектора (23) и величины U₂, фонового сигнала выполняется соотношение ΔU₂/|U₂|<<ΔU₁/|U₁|, то объект проверки подлинности признают подлинным.

Если сигналы от объектов проверки, в том числе с сильно поврежденными метками, содержащими нанокристаллы алмаза с NV-центрами, не удовлетворяют указанным соотношениям, такие объекты проверки должны быть перемещены подающим механизмом (1) в лоток (23) для объектов проверки, не признанных подлинными.

Нами экспериментально установлено, что в случае применения электромагнитного СВЧ-излучения с полосой частот 2,869±0,1 ГГц эффект уменьшения флуоресценции больше, чем при возбуждении СВЧ-полем с меньшей шириной линии на частоте 2,869 ГГц той же мощности. Указанный эффект обусловлен неоднородным уширением линии из-за пространственных вариаций концентрации атомов азота и NV-центров и других примесных центров. Соответствующую полосу частот СВЧ-излучения обеспечивает генератор электромагнитного СВЧ-излучения (11).

В случае применения в предлагаемом устройстве объективов с достаточно большой цифровой апертурой возможно соединить в одной линзе элемент оптической системы, фокусирующий излучение накачки с длиной волны в диапазоне 500-600 нм на указанное место объекта проверки, и элемент оптической системы регистрации флуоресценции объекта проверки, непосредственно собирающий указанную флуоресценцию. В этом случае между указанными объективами и указанными источниками оптического излучения накачки NV-центров могут быть установлены дихроичные зеркала. Указанные дихроичные зеркала, выполняя основную функцию светофильтров А, отражают лишь указанное оптическое излучение накачки и в то же время пропускают собранную указанными объективами флуоресценцию к системе регистрации.

Пример реализации данного изобретения

Экспериментальный образец предложенного в данном изобретении устройства скоростной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по критерию наличия меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с NV-центрами, был разработан и апробирован в ООО «Новые энергетические технологии». Содержащую нанокристаллы алмазов с NV-центрами метку подлинности с характерным размером 2 мм, нанесенную на банкноту 1000 рублей, помещали в зону проверки подлинности и подвергали воздействию потока лазерного излучения с длиной волны 532 нм (вторая гармоника излучения неодимового лазера), мощностью 40 мВт и поперечным сечением около 10^-2 мм, в течение времени 100 мкс. В выходном излучении лазера, кроме второй гармоники, присутствует собственное излучение неодимового лазера (1,06 мкм) и излучение от диодных лазеров (830 нм). Для их подавления на выходе лазера был установлен фильтр, пропускающий излучение на длине волны 532 нм. И при этом к указанной метке подлинности с помощью антенны, выполненной в виде СВЧ-катушки, подводили СВЧ-излучение от генератора аналоговых сигналов или малогабаритного генератора с центральной частотой 2,869 ГГц, мощность которого модулировали по гармоническому закону в разных случаях с частотой 40, 60, 80 и 100 кГц. Частота и вид сигнала, модулирующего мощность СВЧ-поля, задавались цифровым синхронным детектором.

Сигнал флуоресценции метки в диапазоне длин волн 650-750 нм собирался объективом типа Planohromat и через фильтр ОС-14 подавался на собирающую линзу, которая фокусировала флуоресценцию на вход лавинного фотодиода. После усиления сигнал поступал на вход синхронного детектора, опорным сигналом для которого служил гармонический сигнал указанного цифрового синхронного детектора, модулирующий мощность СВЧ-поля. При этом выбирали оптимальный сдвиг фазы указанного гармонического сигнала относительно фазы модуляции СВЧ-излучения. Во всех случаях регистрировался сигнал, как минимум, на порядок величины, превосходящий фоновый сигнал, получаемый до и после прохождения указанной метки под пучком указанного лазера. При этом уровень сигнала с синхронного детектора, свидетельствующий о наличии на банкноте указанной метки подлинности, возрастал при расширении полосы частот СВЧ-излучения вплоть до 50 МГц.

Работа второй части устройства моделировалась работой первой его части при мощности указанного СВЧ-излучения, не превосходящей 1% мощности, необходимой для получения указанного отношения ΔU₁/|U₁|>>a при 1-м зондировании метки на подлинном объекте проверки, и связанной с неполным экранированием в точке второго зондирования метки Г указанного СВЧ-излучения от точки первого зондирования метки В. Во всех случаях регистрировался сигнал, не превосходящий существенно фоновый сигнал, получаемый до и после прохождения указанной метки под пучком указанного лазера.

Таким образом, описанная выше опытная проверка работоспособности экспериментального образца предлагаемого устройства подтвердила возможность его реализации с получением положительного эффекта - уверенным обнаружением метки подлинности банкнот, ценных бумаг или документов, содержащей нанокристаллы алмазов с NV-центрами при скоростном детектировании, т.е. установлением подлинности указанных объектов проверки по критерию наличия указанной метки в месте ее дислокации на подлинном объекте.

Литература

[1] - Патент РФ RU 2357866.

[2] - N.B.Manson, J.P.Harrison and M.J.Sellars, "The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited", arXiv:cond-mat/0601360v2 (5 June 2006).

1. Устройство автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов, содержащих метку подлинности в виде нанокристаллов алмазов с NV-центрами, включающее источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, источник электромагнитного СВЧ-излучения и фотоприемное устройство, регистрирующее излучение в диапазоне 650-750 нм, отличающееся тем, что дополнительно содержит источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм так, что один из указанных источников оптического излучения предназначен для первого зондирования указанной метки совместно с указанным источником электромагнитного СВЧ-излучения, а другой из указанных источников оптического излучения - для второго зондирования указанной метки в отсутствие СВЧ-излучения, также дополнительно содержит другое фотоприемное устройство так, что одно из указанных фотоприемных устройств предназначено для регистрации флуоресценции метки при ее первом указанном зондировании, а другое из указанных фотоприемных устройств - для регистрации флуоресценции метки при ее втором указанном зондировании, а также дополнительно содержит: оптические системы для направления указанного оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм в точках первого и второго указанных зондирований в место на проверяемом объекте, соответствующее размещению метки подлинности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит генератор, формирующий сигнал модуляции мощности электромагнитного СВЧ-излучения, который соединен с указанным генератором электромагнитного СВЧ-излучения, синхронные детекторы, соединенные соответственно с указанными фотоприемными устройствами и с указанным генератором задающей частоты модуляции электромагнитного СВЧ-излучения, контроллер, соединенный с указанными синхронными детекторами, и подающий механизм, обеспечивающий подачу объектов контроля в места первого и второго указанных зондирований указанной метки и после указанных зондирований в соответствующие лотки для объектов, для которых проведена проверка подлинности.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный источник электромагнитного СВЧ-излучения снабжен антенной, излучающая часть которой помещена в точке первого указанного зондирования.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит оптические системы со светофильтрами, пропускающими излучение указанной флуоресценции с длиной волны в диапазоне 650-750 нм на фотоприемные устройства для регистрации указанной флуоресценции.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные источники оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм представляют собой неодимовые лазеры с преобразованием излучения во вторую гармонику с длиной волны излучения 532 нм, полупроводниковые лазеры, светодиоды или иные источники с длинами волн оптического излучения в указанном диапазоне.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы оптических систем для направления указанного излучения накачки с длиной волны в диапазоне 500-600 нм и его фокусировки на указанное место объекта проверки в точке указанного зондирования и элементы оптических систем регистрации флуоресценции объекта проверки, непосредственно собирающие указанную флуоресценцию, объединены в одну оптическую систему.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанная оптическая система представляет собой оптическую систему с дихроичными зеркалами для разделения указанных излучений накачки и флуоресценции и пропускающими собираемую элементами оптических систем флуоресценцию объекта проверки на фотоприемные устройства.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный источник электромагнитного СВЧ-излучения обеспечивает излучение в полосе частот (2,869±0,1) ГГц.

9. Устройство по пп.1, 2 или 7, отличающееся тем, что указанные фотоприемные устройства представляют собой лавинные фотодиоды, снабженные усилителями.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные фотоприемные устройства представляют собой лавинные фотодиоды, снабженные усилителями.