CH693973A5 - Muenze mit Beugungsstrukturen, Muenzpruefer zur Pruefung der Echtheit solcher Muenzen und Verfahren zur Herstellung solcher Muenzen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Münze, einen Münzprüfer zur Prüfung der Echtheit solcher Münzen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Münzen.

Solche Münzen eignen sich als besonders fälschungssichere Zahlungsmittel. Es ist bekannt, dass Münzen mit makroskopischen Reliefs leicht fälschbar sind und dass elektronische Münzprüfer, die die geometrischen und metallischen Eigenschaften von Münzen prüfen, mit nachgemachten Münzen oder Münzen anderer Länder täuschbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Münze mit einem schwer fälschbaren und einfach überprüfbaren Sicherheitsmerkmal zu versehen, ein Verfahren zur Herstellung solcher Münzen anzugeben und eine Vorrichtung zur Prüfung der Echtheit solcher Münzen zu verwirklichen.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 4, 7 und 10.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine Münze im Querschnitt, Fig. 2 einen Ausschnitt der Münze in der Draufsicht, Fig. 3a, b einen Abschnitt eines Münzkanals mit einem optischen Lesegerät, Fig. 4 das Lesegerät in einer Ausführung mit einem diffraktiven optischen Element, Fig. 5a, b die mit einer Codierung versehene Münze und die Lage der die Codierung darstellenden Gitter in einer schlitzförmigen Öffnung im Lesegerät, Fig. 6a, b ein weiteres optisches Lesegerät, Fig. 7 eine erste Einrichtung mit einem Laser zur Herstellung einer Münze mit einer mikroskopischen Reliefstruktur und Fig. 8 eine zweite Einrichtung mit einem Laser zur Herstellung einer solchen Münze.

Die Fig. 1 zeigt in nicht massstäblicher Zeichnung eine Münze 1 im Querschnitt. Die Münze 1 weist zwei annähernd parallele Oberflächen 2, 3 und eine Randfläche 4 auf. Die Oberflächen 2, 3 sind mit makroskopischen Reliefs 5 versehen, die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 bilden. In wenigstens einer Vertiefung 7 der Oberflächen 2, 3 sind mikroskopische, beugungswirksame Reliefstrukturen 8 eingeformt. Die makroskopischen Reliefs 5 stellen bildliche Motive dar, die erstens Auskunft über die Herkunft und den Wert der Münze geben und zweitens als visuelles Echtheitsmerkmal dienen. Ihre typischen Strukturabmessungen wie Breite d und Profilhöhe h liegen im Millimeter- und Zehntelmillimeterbereich. Sie sind so ausgestaltet, dass sie auftreffendes Licht reflektieren und/oder wenigstens teilweise diffus streuen. Die mik-roskopischen Reliefstrukturen 8 weisen hingegen wesentlich kleinere Strukturabmessungen auf, deren Parameter Linienabstand und Profilhöhe typisch im Bereich von Mikrometern bzw. Zehntelmikrometern liegen. Sie beugen auftreffendes Licht in vorbestimmte Richtungen. Mit Vorteil sind die Reliefstrukturen 8 für eine maschinelle Überprüfung der Echtheit der Münze 1 ausgelegt. Die vertiefte Anordnung schützt die mikroskopischen Reliefstrukturen 8 vor Beschädigungen und gegen Abnutzungserscheinungen. Um zu vermeiden, dass sich beim Gebrauch die Furchen der Reliefstruktur 8 mit Schmutzpartikeln füllen, die die Beugungseigenschaften verändern oder zum Verschwinden bringen könnten, ist die Reliefstruktur 8 mit Vorteil mit einem Lack 9 bedeckt.

Die Fig. 2 zeigt einen Teil der Münze 1 in der Draufsicht auf die Oberfläche 2. Die Oberfläche 2 enthält vertiefte Flächen 10, 11, die die Umrisse der Buchstaben "C" und "H" darstellen. Die Flächen 10, 11 sind Teil des makroskopischen Reliefs 5. Die Flächen 10, 11 enthalten die mikroskopische Reliefstruktur 8 (Fig. 1) in der Form von Gittern 13. Das Relief 5 stellt zusammen mit der Reliefstruktur 8 ein vorzugsweise visuell überprüfbares Sicherheitsmerkmal dar, da die Gitter 13 unter normalen Beleuchtungsverhältnissen beugungsoptische Effekte bewirken. Zudem ist die Reliefstruktur 8 auch maschinenlesbar. Für die maschinelle Überprüfung genügt an sich eine Linienzahl von 200 bis 300 Linien pro Millimeter. Falls aber die Reliefstruktur 8 auch gut sichtbare visuelle Beugungseffekte erzeugen soll, wird eine Linienzahl von typisch 800 Linien pro Millimeter bevorzugt. Die Linienzahl kann jedoch irgendwo zwischen 50 und 3000 Linien pro Millimeter liegen. Die Münze 1 enthält weiter Guillochen 12 mit Reliefstrukturen 8, die bei Bewegung der Münze 1 beim Rollen auf der Randfläche 4 wechselnde optische Effekte erzeugen, wie sie aus der europäischen Patentschrift EP 105 099 bekannt sind.

Die in der Fig. 1 dargestellte Reliefstruktur 8 weist eine asymmetrische, z.B. eine sägezahn- oder trapezförmige, Profilform auf. Die Intensität des in die plus erste Beugungsordnung gebeugten Lichtes ist somit grösser als die Intensität des in die minus erste Beugungsordnung gebeugten Lichtes. Die Verwendung einer asymmetrischen Reliefstruktur 8 wird bevorzugt, da sie den Vorteil bietet, dass die Echtheit der Münze 1 auf Grund der unterschiedlichen Intensitäten der in die plus erste und in die minus erste Beugungsordnung gebeugten Teilstrahlen beurteilbar ist. Die Erzeugung von Teilstrahlen unterschiedlicher Intensitäten ist auch durch Überlagerung mehrerer Gitterstrukturen möglich.

Bevorzugt weist die Münze 1 in der Fig. 2 zudem eine Anzahl n nebeneinander angeordneter Felder 14 mit weiteren Reliefstrukturen 8 auf, die aus einem Set von m verschiedenen vorbestimmten Gittern 13 ausgewählt sind, sodass bei der maschinellen Überprüfung der Münze 1 mit einem optischen Lesegerät, wie es nachfolgend beschrieben ist, eine ganze Vielzahl von bis zu 2*n gebeugten Teilstrahlen der ersten Beugungsordnung erzeugt wird. Verschiedene Münzen 1 lassen sich so nach Land und Wert codieren, indem jedem Land und jedem Münzwert in den Feldern 14 eine Kombination von vorbestimmten Gittern 13 zugeordnet wird. Beispielsweise ist die Zahl n der Felder 14 gleich zwölf, wovon die ersten acht Felder 14 acht Bits darstellen, die als Ländercode dienen, und wovon die letzten vier Felder 14 vier Bits zur Codierung des Wertes darstellen. Bei der maschinellen Prüfung der Echtheit der Münze sind somit auch deren Herkunft und Wert erfassbar.

Die bekannten Münzen 1, wie sie von den Nationalbanken vieler Staaten in Umlauf gesetzt sind, sind rund. Münzprüfer, die zur maschinellen Überprüfung der Echtheit von Münzen 1 eingerichtet sind und beispielsweise in Telefonen, Verkaufsautomaten etc. Verwendung finden, weisen in der Regel einen Münzkanal auf, in dem die zu prüfende Münze 1 hi-nabrollt, wobei sie entlang einer geneigten Bahn optische und/oder magnetische Sensoren passiert. Bei Münzprüfern, die eine sehr grosse Menge von Münzen 1 in kurzer Zeit überprüfen müssen und die z.B. von Banken verwendet werden, rollen die Münzen 1 nicht entlang eines Münzkanals, sondern werden von einer weiter nicht beschriebenen Transporteinrichtung transportiert.

Falls beide Oberflächen 2, 3 der Münze 1 die gleiche mikroskopische Reliefstruktur 8 enthalten, genügt es, dass der Münzprüfer nur eine der Oberflächen 2, 3 überprüft. Falls die Münze 1 nur auf der einen Oberfläche 2 mit der mikroskopischen Reliefstruktur 8 versehen ist, vereinfacht sich die Herstellung der Münzen 1. Der Münzprüfer muss dann jedoch zur optischen Überprüfung beider Oberflächen 2, 3 eingerichtet sein.

Im Folgenden sind nun Beispiele von Münzen 1 und optischen Lesegeräten beschrieben, bei denen die mikroskopischen Reliefstrukturen 8 der Münze 1 und das optische Lesegerät aufeinander abgestimmt sind. Die Reliefstrukturen 8 dienen in jedem Fall wenigstens als maschinell überprüfbares, schwer fälschbares Echtheitsmerkmal. Die Reliefstrukturen 8 können jedoch eine maschinenlesbare Codierung mit zusätzlichen Informationen, z.B. über Herkunft und Wert der Münze 1, enthalten, die vom optischen Lesegerät zu erkennen sind. Gemäss eines weiteren Erfindungsgedankens stellen die Münze 1 und das optische Lesegerät ein gemeinsames optisches System dar, bei dem die Reliefstrukturen 8 auch optische Funktionen in dem Sinne ausüben, dass sich die Münze 1 im Strahlengang des Lesegerätes wie ein diffraktives optisches Element verhält. Das diffraktive optische Element bildet dabei einen Leselichtstrahl entsprechend der in den Reliefstrukturen 8 kodierten Information direkt auf einen Satz von vorbestimmten Fotodetektoren im Lesegerät ab.

Die Fig. 3a und 3b zeigen einen Abschnitt des Münzkanals 15 eines Münzprüfers. Der Münzkanal 15 ist gegenüber der Vertikalen sowohl in Laufrichtung der Münze 1 (Fig. 3a) als auch in dazu senkrechter Richtung (Fig. 3b) geneigt, sodass die Münze 1 auf einer hinteren Seitenwand 16 des Münzkanals 15 aufliegend hinabrollt. In eine vordere Seitenwand 17 des Münzkanals 15 ist ein optisches Lesegerät 19 eingepasst, wobei die Seitenwand 17 zugleich als vordere Gehäusewand des Lesegerätes 19 dient.

Das Lesegerät 19 ist geeignet zum maschinellen Nachweis der Echtheit von Münzen 1, die auf einer den Mittelpunkt 18 umgebenden Teilfläche 20 der Oberfläche 2 bzw. 3 die mikroskopischen Reliefstrukturen 8 in der Form des einzigen Gitters 13 mit geraden Furchen enthalten. Die Lage der Furchen bezüglich der durch die Laufrichtung der Münze 1 definierten Richtung ist durch einen Winkel alpha beschreibbar. Beim Rollen der Münze 1 entlang des Münzkanals 15 ändert der Winkel alpha kontinuierlich. Der Mittelpunkt 18 der Münze 1 bewegt sich entlang einer Geraden x, während sich die anderen Punkte der Münze 1 entlang von Zykloiden bewegen. Die Berandung der Teilfläche 20 kann eine beliebige Form aufweisen. Zudem kann die Teilfläche 20 aus nicht zusammenhängenden Gebieten gebildet sein. Das makroskopische Relief 5 der Münze 1 ist nicht dargestellt.

Das Lesegerät 19 umfasst eine Lichtquelle 21, z.B. eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, Fotodetektoren 22, ein optisches Element 23, ein Gehäuseteil 24 sowie eine elektronische Schaltung 25 zur Steuerung der Lichtquelle 21 und zur Auswertung der von den Fotodetektoren 22 gelieferten Signale. In der vorderen Seitenwand 17 ist ein als Maske dienendes Plättchen 26 mit einer ersten Öffnung 27 und weiteren Öffnungen 28 eingelassen. Die Lichtquelle 21 beleuchtet durch die Öffnung 27 hindurch die Teilfläche 20 während des Durchganges der Münze 1 mit annähernd monochromatischem Licht der Wellenlänge lambda . Die Öffnung 27 ist vorzugsweise schlitzförmig, sodass der auf die Münze 1 fallende Lichtfleck ein schmaler Streifen ist, dessen Breite etwas grösser als die grösste Dimension der Teilfläche 20 ist und dessen Länge so bestimmt ist, dass die Teilfläche 20 der zu prüfenden Münzen 1 aller gewünschten Sorten beim Durchgang ausgeleuchtet ist. Das in der Teilfläche 20 vorhandene Gitter 13 reflektiert einen Teil des auftreffenden Lichtes als nullte Beugungsordnung zurück. Ein weiterer Teil des Lichtes wird reflektiert und als Teilstrahlen 29, 30 (Fig. 3b) unter einem vorbestimmten Winkel theta 1 in die plus erste und in die minus erste Beugungsordnung oder auch unter anderen Winkeln in höhere Beugungsordnungen gebeugt. Die Teilstrahlen 29, 30 passieren zwei Punkte P( alpha ) und R( alpha ) auf der Maske 26. Die Lage der Punkte P( alpha ) und R( alpha ) für eine einzelne Münze 1 ist durch den Momentanwert des Winkels alpha während der Beleuchtung durch die Lichtquelle 21 gegeben. Die Gesamtheit der für eine einzelne Münzensorte möglichen Punkte P( alpha ) und R( alpha ) liegt auf einer geschlossenen Bahnkurve. Jede der Öffnungen 28 weist den Verlauf der einer zugeordneten Münzsorte angepassten Bahnkurve auf. Dank der Maske 26 gelangt nur an der Münze 1 gebeugtes Licht auf die Fotodetektoren 22, während Fremdlicht und Streulicht zum grössten Teil ausgefiltert wird. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur die Münze 1 einer einzigen Sorte und nur eine einzige Öffnung 28 gezeichnet. Mittels eines nicht gezeichneten optischen Systems kann der von der Lichtquelle 21 abgegebene Strahl so geführt werden, dass die Öffnung 27 unter Ausnutzung der gesamten Lichtenergie optimal ausgeleuchtet ist.

Das optische Element 23 sorgt dafür, dass wenigstens ein Teil des Lichtes der Teilstrahlen 29, 30 auf die Fotodetektoren 22 gelangt. Das optische Element 23 kann eine Diffusorscheibe (Fig. 3a) sein, die auftreffendes Licht diffus streut. Somit gelangt immer ein Teil des an der Münze 1 gebeugten Lichtes auf den Fotodetektor 22 und ein einziger, entsprechend angeordneter Fotodetektor 22 genügt. Die elektronische Schaltung 25 gibt ein die Echtheit der Münze 1 anzeigendes Signal ab, falls die vom Fotodetektor 22 gemessene Intensität einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. In diesem Fall dient also die mikroskopische Reliefstruktur 8 einzig als Echtheitsmerkmal.

Das optische Element 23 kann auch eine Linse (Fig. 3b) sein, die die der Lichtquelle 21 zugewandte Oberfläche 2 der Münze 1 in eine Bildebene 31 abbildet. Die Fotodetektoren 22 sind nun so angeordnet, dass die Teilfläche 20 einer ersten Münzsorte auf den ersten Fotodetektor 22, die Teilfläche 20 einer zweiten Münzsorte mit einem anderen Münzdurchmesser auf den zweiten Fotodetektor 22 etc. abgebildet wird. Die Information über die Münzsorte ist somit aus der Nummer des ein positives Echtheitssignal liefernden Fotodetektors 22 ableitbar.

Zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes kann den Fotodetektoren 22 ein nicht gezeichnetes optisches Filter vorgeschaltet sein, das nur für Licht der Wellenlänge lambda durchlässig ist. Das Gehäuseteil 24 verhindert, dass von aussen Fremdlicht auf den Fotodetektor 22 fällt.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Münzprüfung ist es möglich, als Lichtquelle 21 eine Leuchtdiode einzusetzen, die bei entsprechender Ansteuerung Lichtstrahlung einer ersten Wellenlänge lambda 1 oder Lichtstrahlung einer zweiten, unterschiedlichen Wellenlänge lambda 2 aussendet (so genannte dual colour LED oder three colour LED). Alternativ kann die Lichtquelle 21 zwei Laserdioden umfassen, die Licht der Wellenlängen lambda 1 bzw. lambda 2 aussenden. Die Lichtquelle 21 wird so betrieben, dass sie zeitlich nacheinander Licht der Wellenlänge lambda 1 bzw. lambda 2 aussendet, und die elektronische Schaltung 25 gibt ein Echtheitssignal ab, wenn das Verhältnis der vom entsprechenden Fotodetektor 22 gemessenen, den Wellenlängen lambda 1 bzw. lambda 2 zugeordneten Intensitäten innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte liegt. Da die Richtung des gebeugten Lichtes sehr empfindlich von der Wellenlänge abhängt, können durch Kratzer oder Staub verursachte Fehler reduziert werden: Die Münze ist nur dann echt, wenn der Fotodetektor 22 Licht beider Wellenlängen lambda 1 und lambda 2 feststellt. Zudem ist das Intensitätsverhältnis unabhängig von der absoluten Lichtleistung, die die Lichtquelle 21 abgibt. Die Verwendung von zwei verschiedenen Wellenlängen lambda 1 und lambda 2 bietet zudem den Vorteil, dass das beugungswirksame Gitter 13 nicht in betrügerischer Absicht durch eine reflektierende Struktur ersetzt werden kann.

An Stelle des Gitters 13 mit geraden Furchen kann auch ein Gitter 13 mit kreisförmigen, zum Mittelpunkt 18 der Münze 1 konzentrischen Furchen verwendet werden. Dies führt zu einer vom Winkel alpha unabhängigen, gleichmässigen Beleuchtung der entsprechenden Öffnung 28.

In der hinteren Seitenwand 16 des Münzkanals 15 ist mit Vorteil eine beugungswirksame Struktur angebracht, die bei der Beleuchtung mit dem Licht der Lichtquelle 21 in Abwesenheit der Münze 1 Licht auf die Fotodetektoren 22 beugt. Auf diese Weise können die Lichtleistung der Lichtquelle 21 und die Empfindlichkeit der Fotodetektoren 22 jederzeit überprüft und bei der Auswertung der Signale berücksichtigt werden.

Falls das Gitter 13 der Münze 1 eine asymmetrische Profilform aufweist, sind die Fotodetektoren 22 mit Vorteil in einer Ebene 32 ausserhalb der Bildebene 31 angeordnet, wo die Teilstrahlen 29 und 30 räumlich getrennt sind. Da der Winkel alpha der Gitterfurchen statistisch völlig unbestimmt ist, liegt der Schnittpunkt der Teilstrahlen 29 und 30 mit der Ebene 32 irgendwo auf einem Kreisring, dessen Mittelpunkt auf der optischen Achse der Linse 23 liegt. An Stelle mehrerer diskreter Fotodetektoren 22 ist bevorzugt ein in verschiedene lichtempfindliche Sektoren unterteilter Fotodetektor 22 vorgesehen. Form und Abmessungen der Sektoren des Fotodetektors 22 sind so vorbestimmt, dass der Teilstrahl 29 und der Teilstrahl 30 unabhängig vom Winkel alpha auf verschiedene Sektoren auftreffen. Beim Durchgang der Münze 1 einer ersten Münzsorte liefern ein erster Sektor und ein zweiter Sektor ein über dem Schwellwert liegendes Signal, beim Durchgang der Münze 1 einer zweiten Münzsorte liefern ein dritter Sektor und ein vierter Sektor ein über dem Schwellwert liegendes Signal. Die elektronische Schaltung 25 ist nun eingerichtet, zu prüfen, ob zwei einer Münzsorte zugeordnete Sektoren gleichzeitig ein über dem Schwellwert liegendes Signal liefern und ob gegebenenfalls diese Signale ein vorbestimmtes Verhältnis aufweisen. Somit lässt sich die Echtheit der Münze 1 auf Grund der asymmetrischen Profilform der Reliefstrukturen 8 verifizieren, was die Sicherheit gegen-über Fälschungen weiter erhöht.

An Stelle eines einzigen Gitters 13 können auf der Münze 1 auch mehrere nebeneinander angeordnete oder überlagerte Gitter 13 vorhanden sein, die jeweils um einen Winkel 360 DEG /k verdreht sind, wobei k die Zahl der überlagerten Gitter 13 bezeichnet. Dadurch kann die vom Fotodetektor 22 abzudeckende Fläche verkleinert werden.

Die Fig. 4 zeigt das Lesegerät 19 in einer Ausführung, bei der die Funktionen der Maske 26 (Fig. 3) und der Linse 23 von einem einzigen, diffraktiven optischen Element 33 ausgeübt werden. Das Element 33 ist entweder bündig in die vordere Seitenwand 17 integriert oder zwischen der vorderen Seitenwand 17 und den Fotodetektoren 22 angeordnet. Das diffraktive optische Element 33 ist beispielsweise ein holografisches optisches Element, ein computergeneriertes Hologramm, ein Volumenhologramm etc. Das Element 33 dient der Umlenkung und Fokussierung der von der Münze 1 ausgehenden Teilstrahlen 29, 30 auf die Fotodetektoren 22, wobei die gebeugten Teilstrahlen 29, 30 von Münzen 1 verschiedener Sorten auf verschiedene Fotodetektoren 22 fokussiert werden.

Dargestellt sind nun zwei Münzen 1a und 1b verschiedener Münzsorten. Der von der Lichtquelle 21 ausgehende Lichtstahl 34 fällt unter einem Winkel schräg auf die Reliefstruktur 8 der Münze 1a oder 1b. Die in die positive und negative Beugungsordnung gebeugten Teilstrahlen 29a bzw. 30a oder 29b bzw. 30b werden vom Element 33 auf den der Münze 1a der ersten Münzsorte zugeordneten Fotodetektor 22a bzw. den der Münze 1b der zweiten Münzsorte zugeordneten Fotodetektor 22b umgelenkt, unabhängig von der durch den Winkel alpha definierten momentanen Drehlage der Münze 1a bzw. 1b. Die in die nullte Beugungsordnung gebeugten Teilstrahlen 35 werden vom Element 33 nicht auf die Fotodetektoren 22a, 22b fokussiert.

Das Element 33 hat also die Aufgabe, die von den Münzen 1a und 1b gebeugten Teilstrahlen 29a, 29b, 30a, 30b, die mit vorgegebener Einfallsrichtung an vier unterschiedlichen Punkten P a , R a , P b , R b auf das Element 33 auftreffen, in eine durch den entsprechenden Punkt P a , R a , P b , R b und die räumliche Lage des Fotodetektors 22a bzw. 22b bestimmte Ausfallrichtung umzulenken. Diese Aufgabe kann ein Strichgitter erfüllen, dessen Gitterlinienabstand und Orientierung örtlich auf die Wellenlänge lambda und den durch die Einfall- und die Ausfallrichtung festgelegten Umlenkwinkel bestimmt sind. Die, Richtung der Teilstrahlen 29a, 29b, 30a, 30b und die Lage der Punkte P a , R a , P b , R b ändern mit dem Momentanwert des Winkels alpha , den die Münze 1a bzw. 1b während der Messung aufweist. Dementsprechend variieren die Gitterparameter entlang den von den Punkten P a , R a , P b , R b in der Ebene des diffraktiven optischen Elementes 33 beschriebenen Bahnkurven.

Die Anzahl der im Lesegerät 19 vorhandenen Fotodetektoren 22 bestimmt die Zahl der verschiedenen unterscheidbaren Reliefstrukturen 8 bzw. Gitter 13 und somit die Zahl der unterscheidbaren Münzsorten.

Falls die Asymmetrie der Profilform des Gitters 13 als Echtheitsmerkmal verifiziert werden soll, ist wiederum jeder Fotodetektor 22a, 22b durch zwei Fotodetektoren zu ersetzen, und das optische System ist so auszubilden, dass die Teilstrahlen 29a und 30a bzw. 29b und 30b auf verschiedene Fotodetektoren fokussiert werden.

Das diffraktive optische Element 33 kann als beliebig geformter Körper, insbesondere als ebene Platte, ausgebildet sein. Dies erlaubt eine kostengünstige Vervielfältigung durch Prägen in thermoplastischen Kunststoff- oder Abformen in z.B. UV-härtbaren Kunststoff oder durch Spritzgiessen (Injection Moulding). Das Element 33 kann auch ein ebenfalls leicht vervielfältigbares Volumenhologramm sein mit dem Vorteil einer sehr hohen Beugungseffizienz, die gegen 100% erreichen kann. Durch eine konstruktive Gestaltung, die eine einfache Auswechslung des Elementes 33 gestattet, ist der Münzprüfer sehr einfach auf einen Satz von Münzen eines vorbestimmten Landes oder mehrerer vorbestimmter Länder anpassbar.

Das diffraktive optische Element 33 kann nun so ausgebildet werden, dass auch die Erkennung einer Codierung auf der Münze 1 möglich ist. Bei der in der Fig. 5a dargestellten Münze 1 sind die Felder 14 (Fig. 2) nicht in der Nähe des Mittelpunktes 18, sondern entlang des Randes angeordnet. Die Felder 14 enthalten die mikroskopische Reliefstruktur 8 in der Form der Gitter 13. Die Orientierung LAMBDA der Gitter 13 in Bezug auf die Radialrichtung am Ort des Feldes 14 ist durch Striche dargestellt. Jedes Feld 14 passiert die schlitzförmige Öffnung 28 in einer Höhe h, die vom Momentanwert des die Drehlage der Münze 1 beschreibenden Winkels beta abhängt. In der Fig. 5b ist für ein ausgewähltes Feld 14 schematisch dargestellt, wie die Orientierung ? seines Gitters 13 in der Öffnung 28 in Funktion der Höhe h ändert. Das diffraktive optische Element 33 ist nun ausgelegt, die am Gitter 13 gebeugten Teilstrahlen 29, 30 (Fig. 4) für alle möglichen Höhen h entsprechend deren Orientierung ? (h, LAMBDA ) auf die diesem Gitter 13 zugeordneten Fotodetektoren 22 umzulenken. Somit wird das am Feld 14 gebeugte Licht, bei dem die Orientierung des Gitters 13 den Winkel LAMBDA 1 hat, auf einen ersten Fotodetektor 22, das an einem anderen Feld 14 gebeugte Licht, bei dem die Orientierung des Gitters 13 den Winkel LAMBDA 2 hat auf einen zweiten Fotodetektor 22 abgebildet. Aus den Signalen der Fotodetektoren 22 lässt sich dann die Codierung ableiten und z.B. Herkunft und Wert der Münze 1 bestimmen. Aus der Analyse des zeitlichen Verlaufs der von den verschiedenen Fotodetektoren 22 abgegebenen Signale lässt sich auch die Reihenfolge der Orientierungen LAMBDA der Gitter 13 bestimmen.

Es ist auch möglich, dass die Anordnung der Felder 14 einen Strichcode ergibt, der maschinenlesbar ist, in dem der Strichcode aus der zeitlichen Analyse des vom zugeordneten Fotodetektors 22 abgegebenen Signals rekonstruiert wird. Dabei können ein einziges Gitter 13 oder auch mehrere Gitter 13 verwendet sein.

Die Fig. 6a und 6b zeigen das Prinzip eines weiteren Lesegerätes 36, das geeignet ist zur maschinellen Überprüfung von Münzen 1, bei denen die mikroskopischen Reliefstrukturen 8 nicht im Zentrum, sondern irgendwo auf der Münze 1 angeordnet sind. Beim Rollen der Münze 1 entlang des Münzkanals 15 (Fig. 3) beschreiben diese Reliefstrukturen 8 zyk-loidische Bahnen. Das Lesegerät 36 enthält eine Linse 37, in deren einem Brennpunkt 38 sich die einzige Lichtquelle 21 befindet. Die Linse 37 dient einerseits dazu, die Münze 1 beim Durchgang mit parallel gerichtetem, senkrecht einfallendem Licht zu beleuchten. Der Durchmesser des auf die Münze 1 auftreffenden Lichtstrahles ist wenigstens so gross, dass die Reliefstrukturen 8 der zu prüfenden Münzen 1 beleuchtet sind. Das an den als Gitter 13 ausgebildeten Reliefstrukturen 8 gebeugte Licht wird nun andererseits von der Linse 37 entsprechend dem Momentanwert des Winkels alpha und dem Gitterlinienabstand auf bestimmte Punkte Q 1 ( alpha ) und Q 2 ( alpha ) in der Brennebene 39 der Linse 37 abgebildet. Die Gesamtheit der für alle Winkel alpha eines Gitters 13 möglichen Punkte Q 1 ( alpha ) und Q 2 ( alpha ) liegt somit auf einem Kreis. Der oder die Fotodetektoren 22 befinden sich ebenfalls in der Brennebene 39, die hier gleich der Fourierebene ist. Die Fotodetektoren 22 sind, wie in der Fig. 6b gezeigt, als zum Brennpunkt 38 konzentrische Kreisringe 40 ausgebildet. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, dass der Ort des Gitters 13 auf der Münze 1 keine Rolle spielt. Beim Rollen der Münze 1 ändert der Winkel alpha , und damit wandern auch die Punkte Q 1 ( alpha ) und Q 2 ( alpha ). Falls die Linse 37 die Münze 1 auf einer gewissen Wegstrecke beleuchtet und falls pro Kreisring 40 mehr als ein Fotodetektor 22 vorhanden ist, kann die Bewegung der Punkte Q 1 ( alpha ) und Q 2 ( alpha ) verfolgt werden. Die Fotodetektoren 22 können z.B. als zweidimensionaler CCD-Device mit vielen lichtempfindlichen Zellen ausgebildet sein.

Falls die Münzen 1 codiert sind, indem jede Münze 1 n Felder 14 (Fig. 2) aufweist, wobei sich die Gitter 13 der Felder 14 hinsichtlich ihres Gitterlinienabstandes unterscheiden, dann liegen die Punkte Q 1 ( alpha ) und Q 2 ( alpha ) für jedes Gitter 13 auf einem anderen Kreisring 40. Aus den Signalen der den verschiedenen Kreisringen 40 zugeordneten Fotodetektoren 22 sind somit die codierten Parameter ableitbar.

Bei einer anderen Ausgestaltung eines solchen Lesegerätes 36 ist in der Brennebene 39 nur ein eindimensionaler Array von Fotodetektoren 22 angeordnet. Die Münze 1 wird auf einer gewissen Wegstrecke beleuchtet, sodass die Bahn des Punktes Q 1 ( alpha ) oder Q 2 ( alpha ) irgendwann bestimmt auf den entsprechenden Fotodetektor 22 auftrifft.

Die mikroskopischen Reliefstrukturen 8 der Münze 1 können jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die Oberfläche 2, 3 der Münze 1 wie ein diffraktives optisches Element, z.B. wie eine Fresnellinse, wirkt. Das diffraktive optische Element dient dann sowohl als maschinell überprüfbares Echtheitsmerkmal als auch als abbildendes Element, das einen Leselichtstrahl des Lesegerätes auf einen vorbestimmten Fotodetektor abbildet. Das diffraktive optische Element kann auf einer einzigen zusammenhängenden Fläche angeordnet oder über mehrere getrennte Teilflächen verteilt sein. Im Fall der Fresnellinse genügt es also durchaus, wenn die Fläche der Fresnellinse nur teilweise mit der Reliefstruktur 8 ausgebildet ist. Somit unterliegt die grafische Gestaltung der Münzoberfläche 2, 3 mit den makroskopischen Reliefs 5 keinen Einschränkungen. Mit Vorteil ist jedoch die Gesamtheit der diffraktiven Strukturen des optischen Elementes axialsymmetrisch zum Mittelpunkt der Münze 1 ausgebildet, sodass die Abbildungseigenschaften des optischen Elementes unabhängig von der momentanen Drehlage der Münze 1 sind. Beispielsweise können die solcherart ausgebildeten Reliefstrukturen 8 in einer vorgesehenen Bildebene bezüglich einer senkrecht durch den Mittelpunkt der Münze 1 führenden Achse rotationsinvariante Kreisringe ausleuchten, wenn sie mit parallelem Licht bestrahlt werden. Zum Lesen solcher Strukturen ist z.B. ein Lesegerät ähnlich dem Lesegerät 36 geeignet, bei dem die Beleuchtung der Münzoberfläche 2 mit parallelem Licht erfolgt.

Eine weitere Möglichkeit, die Zuverlässigkeit der Münzprüfung weiter zu erhöhen, besteht darin, auf der Münze 1 ein Feld 14 mit einem Gitter 13 vorzusehen, welches als Referenzgitter dient. Im Lesegerät 19 bzw. 36 ist diesem Referenzgitter ein Fotodetektor 22 zugeordnet, und die Intensität des auf diesen Fotodetektor 22 fallenden, am Referenzgitter gebeugten Lichtes dient als Referenzintensität, z.B. zur Bestimmung des weiter oben genannten Schwellwertes.

Weiter ist es möglich, die Zahl der Codierungsmöglichkeiten bei einer vorgegebenen Anzahl von Fotodetektoren 22 zu erhöhen, in dem verschiedene Gitter 13 zwar den gleichen Linienabstand, jedoch eine unterschiedliche Profilform aufweisen, sodass das an diesen Gittern 13 gebeugte Licht jeweils auf den gleichen Fotodetektor 22 auftrifft, die Intensitäten jedoch unterschiedlich sind. Es kann also auch die Intensität der Teilstrahlen 29, 30 einen von mehreren vorbestimmten Pegeln annehmen, wobei jeder Pegel einem anderen Codierungswert entspricht.

Um Betrugsversuche weiter zu erschweren, ist es vorteilhaft, die beugungsoptische Münzprüfung durch an sich bekannte optische (siehe z.B. die europäische Patentanmeldung Nr. 94 111 909.1), magnetische (siehe z.B. die europäische Patentanmeldung Nr. 94 810 544.0) oder andere Prüfverfahren zu ergänzen, die Aufschluss geben über die Geometrie und die Materialeigenschaften der Münze 1.

Zur Herstellung der mikroskopischen Reliefstrukturen 8 (Fig. 1) sind verschiedene Verfahren möglich. Bekannt ist das Prägeverfahren für relativ weichmetallische Oberflächen wie z.B. Gold. Im Folgenden sind Verfahren mit Lasern beschrieben, die auch für härtere Metalloberflächen geeignet sind. Bei einem weiteren Verfahren werden die mikroskopischen Re-liefstrukturen 8 in die Materialoberfläche eingeätzt.

Die Fig. 7 zeigt eine erste Einrichtung zur Herstellung der mikroskopischen Reliefstruktur 8 auf der Münze 1. Die Einrichtung weist einen Laser 41, eine Maske 42, einen teildurchlässigen Spiegel 43, eine Abbildungsoptik 44, eine Haltevorrichtung 45, eine Justiervorrichtung 46 und ein Gerät zur Strahldiagnostik 47 auf. Die mit der Reliefstruktur 8 zu versehende Münze 1 wird von der Haltevorrichtung 45 gehalten. Die genaue Lage der Münze 1 wird mittels der Justiervorrichtung 46 erfasst und insbesondere die z-Lage auf einen vorbestimmten Wert geregelt. Die Maske 42 wird vom Laser 41 beleuchtet. Mittels der Abbildungsoptik 44 wird die Maske 42 verkleinert auf die Münze 1 abgebildet. Eine typische Verkleinerung beträgt 15:1. Dank der 15fachen Verkleinerung ist die auf die Maske 42 fallende Lichtleistung um den Faktor 225 kleiner als die auf die Münze 1 fallende Lichtleistung, wodurch es möglich wird, lokal auf der Münze 1 Material abzutragen, ohne dass Material von der Maske 42 abgetragen wird. Die Intensitätsverteilung des vom Laser 41 emittierten Strahles in einer zur Maske 42 parallelen yz-Ebene sei vor der Maske 42 I 0 (y,z) und die Transmissionsfunktion der Maske 42 sei t(y,z). Die Intensitätsverteilung nach der Maske 42 ist dann I(y,z) = t(y,z) *I 0 (y,z). Die Profilform der Reliefstruktur 8 hängt neben der Form der auf die Münze 1 auftreffenden Intensitätsverteilung I(x,y) auch von weiteren Faktoren wie Absorptionskoeffizient, thermische Leitfähigkeit, thermische Diffusionsfähigkeit, Schmelztemperatur und evtl. Bandlücke des für die Oberfläche der Münze 1 gewählten Materials ab. Die Profilform hängt somit insbesondere davon ab, ob nur eine einzige oder ob mehrere Belichtungen in einem angepassten Zeitabstand erfolgen. Da eine hohe Lichtleistung erforderlich ist, um metallisches Material abtragen zu können, ist der Laser 41 mit Vorteil ein gepulster Excimer- oder ein Festkörperlaser.

Eine zweite Einrichtung zur Herstellung der mikroskopischen Reliefstruktur 8 auf der Münze 1 ist in der Fig. 8 gezeigt. Die Einrichtung weist den Laser 41, einen Strahlteiler 48, einen Spiegel 49, fokussierende optische Systeme 50, 51, die Haltevorrichtung 45 und die Justiervorrichtung 46 auf.

Mittels des Strahlteilers 48 und des Spiegels 49 werden zwei Strahlen 52, 53 erzeugt, welche unter verschiedenen Winkeln schräg auf die Oberfläche der Münze 1 auftreffen. Ordnet man dem ersten Strahl 52 den Wellenvektor k 1 und die Amplitude I 1 , dem zweiten Strahl 53 den Wellenvektor k 2 und die Amplitude I 2 zu, und ist am Ort r auf der Münze 1 die Phase des ersten Strahles 52 phi 1 und die Phase des zweiten Strahles 53 phi 2, dann beträgt die Intensität

mit DELTA phi =(k 1 -k 2 ) * r+ phi 1 -( phi ) 2 . Diese Methode ist als 2-Strahl-Interferenz-Methode bekannt. Zur Realisierung komplexerer Reliefstrukturen 8 in der Metalloberfläche der Münze 1 wird die Münze 1 mehrmals mit einem Laserpuls belichtet, wobei die Orientierung der Münze 1 wie auch die Richtung der Wellenvektoren k 1 und k 2 durch räumliches Verstellen der Komponenten 48, 49, 50, 51 variiert werden. Eine beliebige Profilform, z.B. ein Sägezahn, kann realisiert werden, indem die Richtung der Wellenvektoren k 1 und k 2 für eine Anzahl n aufeinander folgende Belichtungsimpulse so eingestellt ist, dass sich die jeweiligen Interferenzterme I n (r) wie die Koeffizienten der entsprechenden Fourierreihe verhalten.

Bei der Belichtung mit extrem kurzen Lichtpulsen ist die die Geometrie der Strahlen 52, 53 bestimmende Lage des Strahlteilers 48 und des Spiegels 49 sorgfältig aufeinander abzustimmen, damit die Wegdifferenz der beiden Strahlen 52, 53 kleiner als die Kohärenzlänge des vom Laser 41 emittierten Lichtes ist.

Es ist möglich, die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Einrichtungen zu kombinieren. Die Maske 42 kann ein räumlicher Lichtmodulator (SLM, spatial light modulator) mit einzeln adressierbaren Pixeln sein, sodass die auf der Münze 1 zu erzeugende mikroskopische Reliefstruktur 8 auf einfache Weise computergesteuert variiert werden kann. Jedes Pixel ist entsprechend der Ansteuerung wenigstens teilweise durchsichtig oder annähernd undurchsichtig. Auf diese Weise kann z.B. ein Gitter mit einer hohen Linienzahl und wohldefinierter Umrandung erzeugt werden.

Jede Münze 1 kann somit mit einer individuellen Reliefstraktur 8 versehen werden, die beispielsweise in kodierter Form eine fortlaufende Nummer enthalten kann. Die hohe Leistung des Lasers 41 ermöglicht einen hohen Durchsatz an Münzen 1 zu einem kostengünstigen Preis.

Die zwei beschriebenen Laserverfahren lassen sich auch anwenden, um beugungsoptische Reliefstrukturen auf andere Materialoberflächen als die von Münzen aufzubringen. Besonders erwähnt seien Ersatzteile mit metallischen Komponenten, Metall-oberflächen wie Gold, Messing, Stahl, Aluminium, Kupfer-Nickel-Legierungen etc. Aber auch Siliziumchips könnten mit beugungsoptischen Reliefstrukturen versehen werden. Diese Verfahren eignen sich auch dazu, in eine bereits mit makroskopischen Reliefs versehene Prägematrize mikroskopische Reliefstrukturen einzubringen.

Bei einem Ätzverfahren wird der mit mikroskopischen Reliefstrukturen 8 zu versehende Gegenstand, z.B. die Münze 1, beispielsweise in einem Tauchbad mit einer dünnen lichtempfindlichen Kunststoffschicht überzogen. Die Dicke dieser Kunststoffschicht liegt im Bereich von einigen hundert bis zu einigen tausend Nanometern. Anschliessend erfolgt eine Belichtung und Entwicklung der Kunststoffschicht, sodass mikroskopisch feine Stellen der Münzoberfläche frei von Kunststoff werden. In einem Ätzbad werden dann mikroskopische Reliefstrukturen 8 in die Münz-oberfläche eingeätzt. Zum Schluss wird der restliche Kunststoff wieder entfernt.

Claims (10)

1. Münze (1) mit einer metallischen Oberfläche (2, 3) mit makroskopischen Reliefs (5) zur Darstellung von Motiven, die zur Angabe des Münzwertes und als Echtheitsmerkmal dienen, dadurch gekennzeichnet, dass direkt in wenigstens eine der Oberflächen (2, 3) mikroskopisch feine, beugungswirksame Reliefstrukturen (8) in Form von Gittern (13) mit einem Linienabstand im Bereich von 50 bis 3000 Linien pro Millimeter eingebracht sind und dass wenigstens ein Teil der Reliefstrukturen (8) eine asymmetrische Profilform aufweist.

2. Münze (1) mit einer metallischen Oberfläche (2, 3) mit makroskopischen Reliefs (5) zur Darstellung von Motiven, die zur Angabe des Münzwertes und als Echtheitsmerkmal dienen, dadurch gekennzeichnet, dass direkt in wenigstens eine der Oberflächen (2, 3) mikroskopisch feine, beugungsgswirksame Reliefstrukturen (8) in Form von Gittern (13) mit einem Linienabstand im Bereich von 50 bis 3000 Linien pro Millimeter eingebracht sind und dass die Reliefstrukturen (8) ein diffraktives optisches Element darstellen.

3. Münze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstrukturen (8) eine maschinenlesbare Codierung der Münze (1) enthalten.

4. Münzprüfer zur maschinellen Überprüfung der Echtheit einer Münze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (21) zur Beleuchtung der mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstrukturen (8) der Münze (1) mit annähernd monochromatischem Licht vorhanden ist und dass wenigstens ein optisches Element (23) vorhanden ist, welches von der Münze (1) reflektierte und gebeugte Teilstrahlen (29, 30) auf wenigstens einen Fotodetektor (22) abbildet.

5. Münzprüfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (23) das an der mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstruktur (8) der Münze (1) als Teilstrahl (29) in eine vorbestimmte Beugungsordnung gebeugte Licht auf einen ersten Fotodetektor (22) und das als Teilstrahl (30) in eine andere vorbestimmte Beugungsordnung gebeugte Licht auf einen zweiten Fotodetektor (22) abbildet und dass der Münzprüfer eingerichtet ist, die Signale der von den beiden Fotodetektoren (22) gemessenen Intensitäten zu vergleichen und daraus ein Signal für die Echtheit der geprüften Münze (1) abzuleiten.

6. Münzprüfer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (23) ein diffraktives optisches Element (33) ist.

7. Verfahren zum Aufbringen einer mikroskopisch feinenbeugungswirksamen Reliefstruktur (8) auf eine harte Materialoberfläche (2, 3) der Münzen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstrukturen (8) durch Belichtung der Ma-te-rialoberfläche (2, 3) mit einem Laserstrahl ausgebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine die Form der mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstrukturen (8) bestimmende Maske (42) und anschliessend ein optisches Abbildungssystem (44) zur Verkleinerung passiert.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstrukturen (8) in die Materialoberfläche (2, 3) nach der Methode der 2-Strahl-Interferenz erfolgt.

10. Verfahren zum Aufbringen einer mikroskopisch feinen, beugungswirksamen Reliefstruktur (8) auf eine harte Materialoberfläche (2, 3) der Münzen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Schritte, - Aufbringen einer lichtempfindlichen Kunststoffschicht auf die Materialoberfläche (2, 3), - Belichtung und Entwicklung der Kunststoffschicht, sodass mikroskopisch feine Stellen der Materialoberfläche (2, 3) frei von Kunststoff sind, - Ätzen der Materialoberfläche (2, 3), wobei sich die mikroskopisch feine beugungswirksame Reliefstruktur (8) bildet, - Entfernen der Kunststoffschicht.