PL217943B1 - Urządzenie i system zabezpieczania do uwierzytelniania oznakowania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie i system zabezpieczania do uwierzytelniania oznakowania. W szczególności przedmiotem wynalazku oznakowanie zabezpieczające, nanoszone za pośrednictwem farb drukarskich lub składników pokryć lub w materiałach masowych, oraz dokumenty lub artykuły z naniesionymi takimi znakami zabezpieczającymi. Przedmiotem wynalazku jest zwłaszcza nowy sposób wykorzystania charakterystycznych właściwości niektórych pigmentów luminescencyjnych zawartych w takich farbach drukarskich, składnikach pokryć lub artykułach. W szczególności, przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie umożliwiające wykorzystanie charakterystycznej poświaty luminescencyjnej niektórych materiałów i związków luminescencyjnych, i według wynalazku proponuje się system bezpieczeństwa do znakowania i uwierzytelniania przedmiotu.

W skład zabezpieczających farb lub pokryć w charakterze klasycznych składników wchodzą między innymi materiały luminescencyjne. Przetwarzają one energię promieniowania wzbudzającego o danej długości fali, na emitowane światło o innej długości fali. Wykorzystywana emisja luminescencyjna może mieścić się w zakresie ultrafioletu (UV) (poniżej 400 nm), w zakresie widzialnym (400 nm 700 nm) lub w zakresie podczerwieni od bliskiej do średniej (700 nm - 2500 nm) widma elektromagnetycznego. Niektóre materiały luminescencyjne mogą wykazywać emisję równocześnie na więcej, niż jednej długości fali. Większość materiałów Iuminescencyjnych może być pobudzana na więcej, niż jednej długości fali.

Jeśli emitowane promieniowanie ma długość fali większą, niż promieniowanie wzbudzające, to mówi się o „luminescencji Stokesowskiej lub z przetwarzaniem w dół (down-converting luminescence). Jeśli emitowane promieniowanie ma długość fali mniejszą, niż promieniowanie wzbudzające, to mówi się o „luminescencji anty-Stokesowskiej lub z przetwarzaniem w górę (up-converting luminescence).

Luminescencja może być dwóch różnych typów: fIuorescencją lub fosforescencją. Fluorescencja jest to natychmiastowa emisja promieniowania przy pobudzaniu, natomiast fosforescencja jest opóźnioną w czasie emisją promieniowania, dostrzegalną po ustaniu pobudzania. Fosforescencja, zwana również poświatą, charakteryzuje się ściśle określonym zanikiem natężenia luminescencji w funkcji czasu; odpowiednie wartości czasu trwania, które są charakterystyczne dla materiału, mogą sięgać od nanosekund do wielu godzin.

Materiały luminescencyjne mogą mieć charakter materiałów organicznych lub nieorganicznych. Przykładem pierwszych są cząsteczki typu cyjaniny, jak również kumaryny, rodaminy itp. Przykładami tych ostatnich są siarczki cynku domieszkowane miedzią lub srebrem, granaty glinowo-itrowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich lub wanadiany itru, itp. Inną klasę ciał luminescencyjnych można znaleźć wśród związków metaloorganicznych, betadwuketonianów pierwiastków ziem rzadkich itp.

Materiały luminescencyjne można wykorzystywać w farbach drukarskich lub pokryciach albo jako pigmenty, albo jako materiały rozpuszczalne. W nowych opracowaniach udostępniono również pigmenty luminescencyjne w postaci koloidalnej. Konkretne zastosowania opierają się na polimerach luminescencyjnych, otrzymywanych przez polimeryzację, kopolimeryzację lub szczepienie cząsteczek luminescencyjnych w łańcuchu lub na łańcuchu polimeru.

Wszystkie z tych klas związków i postaci aplikacyjnych wykorzystywano w kompozycjach zabezpieczających i do celów zabezpieczania. Możliwe jest wykonywanie odpowiedniego sprzętu detekcyjnego do rozróżnienia luminescencji natychmiastowej (fluorescencji) i luminescencji opóźnionej (fosforescencji).

W dokumencie patentowym nr US 3 473 027 przedstawiono ogólnie wykorzystanie organicznych i nieorganicznych związków pierwiastków ziem rzadkich jako znaczników widocznych i luminescencyjnych podczerwieni do zastosowań takich, jak identyfikowanie i etykietowanie towarów, identyfikacja osobista, identyfikacja i rejestracja przejeżdżających pojazdów, maszynowy odczyt informacji, kody pocztowe, faktury, etykietki itp. oraz urządzenia pamięciowe o dużej pojemności. W tym dokumencie patentowym opisano ponadto detektor spektrograficzny - do rozróżniania różnych wąskopasmowych odpowiedzi luminescencyjnych.

Opis US 3 412 245 do czynników kodujących dodaje charakterystykę luminescencji. Dzięki temu jest możliwe odróżnienie materiałów luminescencyjnych o czasach zaniku rzędu milisekund od materiałów o znacznie krótszym zaniku. Rozróżnienie odbywa się za pośrednictwem pobudzania za pomocą źródeł światła nadfiołkowego z modulacją sinusoidalną lub impulsową, z zastosowaniem

PL 217 943 B1 zmiennej częstotliwości modulacji lub częstotliwości impulsów, w połączeniu z rozdziałem widmowym różnych długości fali emisji.

W dokumentach patentowych nr US 3 582 623 i US 3 663 813 ujawniono następne opracowania spektroskopowe do właściwości luminescencyjnych.

W dokumencie patentowym nr US 3 650 400 ujawniono zastosowanie źródła światła pulsującego, w połączeniu z detekcją synchroniczną na częstotliwości pulsacji (zasada pętli synchronizacji fazowej - lock-in), do stłumienia wpływu światła otoczenia. Przy stosowaniu tych środków, detektor jest czuły tylko na natychmiastową odpowiedź. Główną wadą sposobów znanych, polegających na wyznaczaniu funkcji przenoszenia modulacji materiału, jest ich nieodłączna powolność. Z tego powodu nie są one zwykle implementowane na szybkich maszynach dokonujących uwierzytelniania.

W dokumencie patentowym nr US 4 047 033 opisano wykorzystanie dla celów zabezpieczania materiału wykazującego właściwość luminescencji z przetwarzaniem w górę, jak również odpowiedni sprzęt detekcyjny. Detekcja polega na pobudzeniu diodą LED GaAs świecącą w podczerwieni (IR), emitującą długość fali 950 nm w trybie pracy ciągłej lub impulsowej, w połączeniu z identyfikacją spektroskopową emisji Iuminescencyjnej. Dokonuje się odniesienia do środków pośrednich, przez pomiar odchyłki fazowej impulsu, dla oceny charakterystycznych czasów narastania i zanik odpowiedzi materiału Iuminescencyjnego. Sposób ten jednakowoż, podlega silnemu wpływowi zmian natężenia luminescencji, a zatem nie jest łatwy do praktycznej implementacji.

Innym znanym sposobem szybkiego uwierzytelniania jest sposób polegający na pobudzaniu impulsowym próbki testowej na taśmie przenośnika. Po minięciu pobudzającego źródła ultrafioletu (UV), natężenie indukowanej luminescencji zmniejsza się odpowiednio do parametrów specyficznych materiału. Do oceny specyficznych punktów parametrów zaniku wykorzystuje się jeden lub kilka fotodetektorów, rozmieszczonych w określonych odległościach od źródła ultrafioletu wzdłuż taśmy przenośnika. Zasadniczą wadą tego sposobu jest jego ograniczenie do takich materiałów fosforescencyjnych, które mają charakterystyczne czasy zaniku luminescencji rzędu 50 milisekund. Ograniczenie to jest wynikiem ograniczeń mechanicznych procesu detekcji (prędkości taśmy przenośnika).

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie urządzenia i systemu zabezpieczania, które pozwoliłyby na przezwyciężenie wad rozwiązań znanych. W szczególności, rozwiązanie według wynalazku powinno umożliwić szybkie próbkowanie parametrów zaniku luminescencji, i powinno być zatem odpowiednie do zastosowań z maszyną do szybkiego odczytywania. Poza tym, wynalazek powinien dopuszczać szeroki wybór materiałów fosforescencyjnych z przetwarzaniem w górę lub w dół, o wartościach czasu zaniku od poniżej mikrosekundy do milisekund lub dłuższego. Dodatkowym konkretnym celem niniejszego wynalazku jest nadanie procesowi uwierzytelniania większej niezawodności przez kompensację zmian natężenia luminescencji, które mogą występować wskutek zmian w samym oznakowaniu luminescencyjnym (starzenie, zabrudzenia) lub zmian w sprzęcie pomiarowym.

Istota wynalazku

Wymienione powyżej cele osiąga się głównie za pomocą urządzenia i systemu bezpieczeństwa do stwierdzania autentyczności oznakowania z luminescencyjnym elementem testowym, oraz zgodnie z zastrzeżeniami niezależnymi.

Rozwiązanie według niniejszego wynalazku opiera się na porównaniu funkcji emisji luminescencyjnej względem czasu materiału elementu testowego z funkcjami emisji materiału odniesienia. Zatem, według niniejszego wynalazku, w charakterze cechy uwierzytelniającej wykorzystuje się kształty krzywej, zamiast wartości natężenia z poszczególnych pomiarów. Takie funkcje emisyjne porównuje się w postaci znormalizowanej. Przy takiej realizacji, porównanie staje się niezależne od odchyłek natężenia wskutek starzenia się, zmian lub zabrudzenia.

Podstawą wynalazku jest poza tym bezpośrednia ocena czasowej funkcji emisji luminescencji oznakowania testowego po pobudzeniu impulsowym. Materiał luminescencyjny może być przy tym wzbudzany z dowolnego rodzaju intensywnego źródła promieniowania impulsowego, na przykład diod świecących, diod laserowych, laserów z przełączaniem Q (Q-switched lasers) i źródeł światła otrzymanych z nich za pomocą optyki nieliniowej, jak również impulsów promieni X lub wiązek cząstek, zwłaszcza sterowanych impulsowych wiązek elektronowych. Po pobudzeniu odpowiednim impulsem pobudzającym, korzystnie impulsem światła o odpowiedniej długości fali i czasie trwania, materiał luminescencyjny emituje część zaabsorbowanej energii w postaci promieniowania emisyjnego o drugiej długości fali. W niektórych przypadkach, ta emisja promieniowania występuje prawie natychmiast, i ustaje wraz z zaprzestaniem pobudzania. W innych przypadkach emisja jest opóźniona w czasie, a natężenie emitowanego promieniowania zmienia się albo zgodnie z prostą zależnością wykładniczą,

PL 217 943 B1 albo zgodnie z bardziej złożonymi zależnościami o kształcie hiperbolicznym lub nawet wykazuje właściwości narastania i zaniku, reprezentatywne dla skomplikowanego procesu transferu energii wewnętrznej i konkurencyjnych mechanizmów zaniku. W każdym przypadku natomiast, obserwowana ewolucja natężenia emisji w funkcji czasu, po odcięciu wymuszenia zewnętrznego, zależy wyłącznie od samego materiału luminescencyjnego, i dlatego służy za cechę uwierzytelniającą, wskazującą na obecność tego konkretnego materiału. Nawet przy zmniejszeniu się bezwzględnej wartości natężenia luminescencji, na przykład przy starzeniu się lub zabrudzaniu materiału, zachowany jest kształt czasowej funkcji emisji, typowy dla związku luminescencyjnego.

W kontekście niniejszego wynalazku, zanik, czyli krzywa zaniku powinny oznaczać konkretną funkcję natężenia w zależności od czasu elementu testowego, i jej odniesienia. Taka funkcja natężenia względem czasu reprezentuje zmierzoną odpowiedź w postaci natężenia emisji luminescencyjnej na impuls pobudzający. Określenie źródło pobudzające ma poza tym zastosowanie do elektromagnetycznego źródła promieniowania o długości fali w zakresie od 200 nm do 2500 nm, obejmującym światło nadfiołkowe, światło widzialne, oraz światło podczerwieni krótkofalowej (nie-termicznej). Możliwe jest włączenie również innych alternatywnych sposobów stymulacji, z wykorzystaniem na przykład promieni X lub impulsów wiązki elektronowej, i są one włączone w zakres takiej definicji.

Przy realizacji sposobu i wykorzystywaniu urządzenia uwierzytelniającego odbywa się próbkowanie natężenia promieniowania elementu testowego w odpowiednich odstępach czasowych i zapisywanie go w pamięci analogowej, na przykład digitalizowanie w przetworniku analogowo-cyfrowym (AD) i zapisywanie w pamięci cyfrowej.

Krzywa odniesienia emisji materiału luminescencyjnego w funkcji czasu, zdjęta z elementu testowego odniesienia, przy zastosowaniu tego samego zestawu przyrządów i tej samej procedury, jest przechowywana również w pamięci cyfrowej, i jest wykorzystywana do komparacji i uwierzytelniania.

Uwierzytelnianie badanego elementu testowego odbywa się przy wykonywanej punkt po punkcie komparacji jego krzywej zaniku z zapamiętaną krzywą zaniku elementu testowego odniesienia.

Funkcje emisyjne elementu testowego i wzorca są porównywane w postaci znormalizowanej. Normalizacja oznacza, że wartości natężenia obu funkcji są sprowadzane do tej samej skali, tak że wartości maksymalne obu krzywych zaniku się pokrywają.

Jeżeli to porównanie krzywej zaniku elementu testowego z odpowiednią wzorcową krzywą zaniku, następuje podanie sygnału zgodności uwierzytelniającego element testowy. W przeciwnym przypadku następuje wysłanie sygnału braku zgodności. Sygnał zgodności lub niezgodności może być sygnałem elektrycznym, optycznym, akustycznym lub innym.

Wspomniana definiowana tolerancja może być stosowana z wykorzystaniem metody punktowej, kiedy każdy punkt krzywej jest porównywany z odpowiadającym mu punktem krzywej odniesienia, i musi mieścić się w granicach bezwzględnych (na przykład +50/-30), względnych (na przykład (20%) lub granicach określanych indywidualnie od tego punktu odniesienia. Przy metodzie punktowej, wszystkie punkty muszą znajdować się wewnątrz ich indywidualnych tolerancji dla danego pomiaru elementu testowego.

W rozwiązaniu alternatywnym można stosować ogólne kryterium tolerancji; to znaczy takie, przy którym poszczególne różnice odpowiednich wartości natężenia elementu testowego i odniesienia, lub pewnych ich dogodnych funkcji, jak kwadratów lub wartości bezwzględnych, sumuje się dla wszystkich punktów, a wypadkową sumę sprawdza się za pomocą ogólnego kryterium tolerancji.

Do poprawienia wartości stosunku do szumu łańcucha fotoelektrycznego możliwe jest również stosowanie optyki zbierającej światło.

Do równoczesnej detekcji mieszanin luminescencyjnych lub materiałów luminescencyjnych emitujących równocześnie na więcej, niż jednej długości fali. Ostatni wymieniony przypadek występuje często w przypadku materiałów luminescencyjnych na podstawie jonu pierwiastka ziem rzadkich. Różne kanały detekcyjne są przy tym wyposażone w odpowiednie selektory długości fal, i odbywa się indywidualnie pomiar i przechowywanie odpowiednich danych natężenia w funkcji czasu.

W konkretnej odmianie wykonania, kanał detekcyjny jest jednostką mikrospektrometryczną, zawierającą element dyspersyjny dla różnych długości fali (na przykład pryzmat, siatkę dyspersyjną lub filtr z przestrajaniem liniowym, oraz układ detektora fotoelektrycznego. Ten ostatni może być zespołem diod fotoelektrycznych lub liniową matrycą CCD (charge coupled device - elementem ze sprzężeniem ładunkowym). Dla zapewnienia dużej prędkości operacyjnej można wykorzystywać zmodyfikowaną dwuwymiarową strukturę matrycową CCD, zamiast liniowej struktury CCD.

PL 217 943 B1

W strukturach matrycowych CCD, ramka obrazowa z nośników ładunku generowanych fotoelektrycznie, wytwarzanych przez wystawienie krzemowej struktury scalonej na działanie światła, jest przesuwana pionowo, wiersz za wierszem, do krawędzi struktury scalonej, gdzie poszczególne linie są następnie przesuwane poziomo i sczytywane, piksel po pikselu. Te procesy przesuwania odbywają się równolegle i możliwe jest bardzo szybkie przenoszenie ogromnych ilości danych (typowe prędkości w przypadku matrycy 256x256 wynoszą do 40 MHz dla przesuwu poziomego piksel po pikselu, i do 4 MHz dla przesuwu pionowego, wiersz po wierszu).

Wspomniana zmodyfikowana matryca CCD ma strukturę taką, że pierwszy wiersz pikseli działa jako matryca fotodetektora dla widma wytwarzanego przez wspomniany element dyspersyjny dla różnych długości fali. Następne wiersze pikseli są chronione przed wpływem światła i służą jako pośredni element pamięci masowej. Po impulsie pobudzającym, uzależniona od czasu informacja widmowa zostaje pobrana przez szybkie pionowe przesuwanie wiersz po wierszu, i zapisana w chronionym przed światłem obszarze elementu CCD, dla następnego odczytania przez procesor przyrządu.

Możliwe jest stosowanie więcej niż jednego źródła pobudzania, dla poprawienia elastyczności sprzętowej przy detekcji materiałów luminescencyjnych o różnych długościach fali pobudzania. Do oświetlania w zakresie widma około 50 nm szczególnie dobrze nadają się diody elektroluminescencyjne (LED - light emitting diodes). Zastosowanie pewnego zespołu różnych diod LED umożliwia pokrycie większego obszaru widmowego stanowiącego obiekt zainteresowania. To źródło światła z wieloma diodami LED może być sterowane przez mikroprocesor przyrządu, tak że dobór długości fali wzbudzania może się odbywać po prostu przez programowanie.

Szczególnie interesujące jest połączenie źródła światła z wieloma diodami LED i mikrospektrometrycznej jednostki detektorowej, z otrzymaniem uniwersalnego modułu detektora luminescencji czasu zaniku.

Według niniejszego wynalazku zupełnie ten sam sprzęt można wykorzystywać do wyznaczenia krzywej zaniku odniesienia i do uwierzytelniania nieznanej elementu testowego. Sprzęt zatem może być eksploatowany w trybie uczenia się, kiedy z elementu testowego odniesienia zdejmuje się krzywą zaniku odniesienia (funkcji emisji natężenia odniesienia względem czasu), dokonuje się jej odpowiedniego przetworzenia, i zapisania odpowiednich danych w pamięci. Sprzęt również może być uruchamiany w trybie testowania, przy czym zdejmowana jest krzywa zaniku luminescencji elementu testowego (emisyjnej funkcji natężenia elementu testowego względem czasu), z naniesionym na niej oznakowaniem przeznaczonym do uwierzytelnienia, dane są odpowiednio przetwarzane i porównywane z uprzednio zapisanymi danymi odniesienia, w celu wyprowadzenia pewnego wskaźnika zgodności/niezgodności. Zatem to samo urządzenie można uruchamiać w trybie uczenia się do przechowywania danych w pamięci, a później do badania próbek w trybie testowania. Urządzenie może również zawierać więcej niż jeden segment pamięciowy do dostarczania danych odniesienia w przypadku weryfikowania różnych oznakowań.

Wspomniane tryby, tryb uczenia się i „tryb pomiaru nie muszą jednakowoż być koniecznie zaimplementowane w tej samej jednostce fizycznej lub urządzeniu. W alternatywnej odmianie wykonania pierwsze urządzenie jest przeznaczone do akwizycji/definicji krzywej zanikowej odniesienia z pomiaru odniesienia. Dane odniesienia są następnie przekazywane do pamięci drugiego, podobnego urządzenia, które jest przeznaczone wyłącznie do weryfikowania pobieranych próbek.

Rozwiązania według niniejszego wynalazku można wykorzystywać do sprawdzania autentyczności farb drukarskich i/lub kompozycji pokryciowych zawierających odpowiedni materiał luminescencyjny, jak również tego rodzaju artykułów bezpieczeństwa lub artykułów pokrywanych realizowanych z użyciem takich farb drukarskich i/lub kompozycji pokryciowych.

Omawiane rozwiązania można ponadto wykorzystywać do sprawdzania autentyczności odpowiedniego luminescencyjnego materiału masowego, jak na przykład papier lub tworzywo sztuczne stosowane do wytwarzania artykułów, takich jak banknoty, dokumenty zabezpieczone, karty identyfikacyjne, karty kredytowe, nitki zabezpieczające, etykietki lub inne artykuły zabezpieczające.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, został bliżej objaśniony na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widmo emisyjne luminoforu przetwarzającego w górę, który można wykorzystać w połączeniu z wynalazkiem, fig. 2 przedstawia krzywe zaniku luminescencji czterech luminoforów, przetwarzających w górę, których można użyć do utworzenia systemu zabezpieczania według niniejszego wynalazku, fig. 3 przedstawia schemat blokowy pierwszej odmiany wykonania urządzenia uwierzytelniającego według niniejszego wynalazku, fig. 4 przedstawia typową charakterystykę natężenia luminescencji w funkcji czasu, którą można wykorzystywać w przypadku procesu

PL 217 943 B1 uwierzytelniania według niniejszego wynalazku, fig. 5 - schemat blokowy w przypadku zmodyfikowanej odmiany wykonania urządzenia detekcyjnego według niniejszego wynalazku, fig. 6 - uproszczony widok bardziej rozbudowanej odmiany wykonania urządzenia detekcyjnego według niniejszego wynalazku, fig. 7 - poziomy energetyczne jonu (3+) prazeodymu, fig. 8 - ogniskujący mikrospektrometr typu siatki dyfrakcyjnej, zainstalowany na liniowej matrycy diod fotoelektrycznych, fig. 9a - zasadę odczytu z dwuwymiarowej matrycy CCD, a fig. 9b przedstawia zasadę przesuwania danych w matrycy CCD.

System zabezpieczający według niniejszego wynalazku zawiera mikroprocesorowy sprzęt uwierzytelniający, taki jak pokazany na fig. 3.

Jako reprezentanty zbioru związków luminescencyjnych w oznakowaniach wybrano cztery luminofory na bazie itru przetwarzające w górę, o różnym charakterze: Gd2O2S:Er,Yb; Y2O2S:Er;Yb; BaY2Fe:Er,Yb; NaYF4:Er,Yb. Po naświetleniu źródłem światła 950 nm lub 980 nm, wszystkie z nich wykazują emisję w zieleni, w pobliżu 550 nm (Fig. 1). Czas trwania emisji poforescencyjnej w zieleni jest jednakowoż bardzo różny w przypadku tych czterech materiałów, co pokazano na fig. 2.

Urządzenie uwierzytelniające, jak pokazane na fig. 3 zawiera mikrokontroler lub procesor 1 zrealizowany na przykład przez układ ADuC812. Struktura scalona ADuC812 zawiera mikroprocesor 8052 16 MHz (CPU) 1a z 32 liniami cyfrowymi wejścia/wyjścia, 12-bitowy 5 μs przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D) 1b jak również przetworniki cyfrowo-analogowe (D/A), zintegrowaną pamięć RAM (256 bajtów) i pamięć EE/Flash (Mem) czyli urządzenie pamięci dla programu (8k) i pamięć danych (640 bajtów). Pamięć EE/Flash (Mem) stanowiąca urządzenie pamięci 1c jest kasowalną elektrycznie pamięcią trwałą i umożliwia implementację trybu uczenia się. Pamięć wewnętrzna struktury scalonej ADuC812 została w naszym przykładzie uzupełniona zewnętrzną pamięcią 32K o dostępie swobodnym (RAM) czyli urządzeniem pamięci 1d.

Urządzenie uwierzytelniające poza tym zawiera prądowy moduł sterujący lasera, zarządzany przez procesor ADuC812, impulsową diodę laserową (LD) 980 nm jako źródło pobudzające 3 z optyką kolimacyjną 3a, jak również łańcuch fotodetekcyjny bazujący na uczulonej na zieleń rynkowej diodzie fotoelektrycznej GaAsP (PD) stanowiącej detektor 4, opcjonalny filtr optyczny 4a i odpowiedni wzmacniacz 5. Łańcuch fotodetekcyjny zawierający elementy 4 i 5 jest dobrany strukturalnie tak, aby zagwarantować minimalną szerokość pasma wynoszącą 200 kHz, odpowiadającą częstotliwości próbkowania 5 μs układu ADuC812; jego wyjście jest dołączone do przetwornika analogowo-cyfrowego (A/D) 1b układu ADuC812. Układ ADuC812 jest połączony poza tym z przełącznikiem ST trybu do wybierania trybu uczenia się/testowania (L/T) z przełącznikiem przyciskowym B do inicjowania cyklu pomiarowego, jak również do diod elektroluminescencyjnych, żółtej, zielonej i czerwonej 8a, 8b, 8c do wskazywania stanów włączenia/wyłączenia i aprobaty/błędu (Tak/Nie). Przełącznik przyciskowy B włącza zasilanie Vcc obwodu. Stosuje się sterowany procesorem przełącznik 9 podtrzymania zasilania, umożliwiający procesorowi utrzymanie własnego zasilania dla zakończenia cyklu pomiarowego i wyłączenie się w poprawnych warunkach.

W trybie uczenia się L, pobierana jest krzywa zaniku odniesienia, czyli funkcja odniesienia natężenia w zależności od czasu emisji. Pod optyką kolimacyjną 3a i filtrem optycznym 4a zostaje umieszczona próbka odniesienia 7-R. Po przestawieniu przełącznika SLT w położenie „tryb uczenia się L, zostaje naciśnięty przełącznik przyciskowy B, włączając zasilanie jednostki detektora. Pod kontrolą mikroprocesora 1 dioda laserowa źródła pobudzającego 3 jest adresowana krótkim impulsem prądowym modułu sterującego 2 lasera (zwykle 1 A w ciągu 200 μs). Impuls pobudzający P lasera 980 nm jest ogniskowany przez optykę kolimacyjną 3a na luminescencyjnym oznakowaniu M-R odniesienia próbki wzorcowej 7-R. Odpowiedź luminescencyjna na 550 nm (promieniowanie emisyjne E) jest mierzona przez diodę fotoelektryczną stanowiącą detektor 4. Sygnał z diody fotoelektrycznej wchodzi do wzmacniacza 5 i z niego do przetwornika analogowo-cyfrowego (A/D) 1b. Po pobudzeniu impulsowym diody laserowej, mikroprocesor 1 inicjuje sekwencję akwizycji danych z bezpośrednim dostępem do pamięci (DMA). Podczas tej sekwencji, sygnał z łańcucha fotodetektorowego zawierającego elementy 4 i 5 jest próbkowany w regularnych odstępach czasu (na przykład co 5 μs) przez przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D) 1b i zapisywany w kolejnych miejscach pamięci zewnętrznego urządzenia pamięci 1d. Czas próbkowania i liczba próbek do pobrania są ustawiane z góry przez program mikroprocesora jako funkcja wyników poprzednich. Po zakończeniu próbkowania, dane w urządzeniu pamięci 1d są analizowane, przetwarzane, zagęszczane do 64 punktów danych określających wartości odniesienia VR1 do VR6 (Fig. 4) i zapamiętywane w urządzeniu 1c pamięci trwałej mikrokonwertera. Funkcja reprezentowana przez wartości odniesienia VR1-VR6 jest ponadto normalizowana, to znaczy wartość VR1-VR6 są skalowane w odniesieniu do największej wartości funkcji. Zatem VR1PL 217 943 B1

-VR6 są niezależne od ogólnych zmian natężenia oddziałujących na emisję luminescencyjną. Fig. 4 przedstawia możliwy kształt tej krzywej odniesienia, która zostaje zachowana jako wykaz wartości odniesienia (VR1, VR2, VR3, ...) dla odpowiednich punktów czasu (t1, t2, t3, ...). Wartościom VRn mogą opcjonalnie być przyporządkowywane poszczególne tolerancje (Δ+, Δ-).

Pomyślne zakończenie operacji jest sygnalizowane przez zielony wskaźnik Tak 8b. Kilka sekund po zakończeniu operacji, mikroprocesor wyłącza jednostkę detektora za pośrednictwem wyłącznika 9 zasilania.

W trybie testowania T, zdejmuje się krzywą zaniku, i porównuje się ją z uprzednio zapisaną krzywą odniesienia. Według fig. 3, próbka 7-P elementu testowego zawierająca oznakowanie elementu testowego M-P zostaje umieszczona w poprawnym miejscu próbki. Po przestawieniu przełącznika SLT na tryb testowania T, zostaje naciśnięty przycisk B przełącznika, włączający zasilanie urządzenia do uwiarygodniania. Wykonywana jest dokładnie taka sama sekwencja, jak opisana w przypadku trybu uczenia się L, aż do punktu, w którym zmierzone dane zaniku luminescencji zostaną przetworzone i skondensowane do 64 punktów danych. Tak otrzymane dane VP1 do VP61 są również normalizowane i porównywane z uprzednio zapisanymi wartościami odniesienia VR1-VR64. Przy porównaniu danych reprezentujących krzywą zaniku oznakowania M-P elementu testowego z danymi reprezentującymi oznakowanie odniesienia M-R, odpowiednie punkty danych są w naszej odmianie wykonania odejmowane od siebie nawzajem, a bezwzględne wartości różnic są sumowane dla wszystkich 64 punktów danych. Jeżeli wartość tej sumy jest mniejsza, niż wybrane kryterium, to próbka testowa jest akceptowana jako dobra i uaktywniona zostaje zielona dioda LED 8b Tak. Jeżeli wartość tej sumy przekracza to kryterium, to próbka testowa jest odrzucana jako zła i uaktywniona zostaje czerwona dioda LED 8c Nie. W kilka sekund po zakończeniu operacji, mikroprocesor wyłącza jednostkę detektorową za pośrednictwem wyłącznika 9 zasilania.

Natężenie emisji E próbki odniesienia 7-R elementu testowego 7-P może się w dużej mierze zmieniać. Powodem tego jest często starzenie się materiału luminescencyjnego lub zmiany powierzchniowe oznakowania odniesienia M-R lub oznakowania M-P elementu testowego. Jeżeli oznakowanie jest na przykład naniesione na artykuł 7, na przykład banknot lub etykietkę produktu, to powierzchnia banknotu lub etykietki może ulec zabrudzeniu lub zadrapaniu. Może to znacznie zmniejszyć intensywność pobudzenia materiału luminescencyjnego i może również zmniejszyć natężenie promieniowania emisyjnego z takiego oznakowania. W szczególności, promieniowanie emisyjne E próbki odniesienia 7-R może mieć wyższą wartość bezwzględną, niż promieniowanie emisyjne E próbki 7-P elementu testowego.

Zatem, sposób według niniejszego wynalazku opiera się na porównaniu kształtów krzywej zaniku, a nie na poszczególnych bezwzględnych wartościach natężenia.

Po normalizacji obu krzywych w stosunku do ich najwyższej wartości między t1 a tn, dla próbek zawierających ten sam materiał luminescencyjny, nawet jeżeli ten ostatni występuje w innym stężeniu. Przy zastosowaniu tej zasady ogólnej porównywania krzywych znormalizowanych, proces uwierzytelniania nie będzie podlegał współczynnikami powodującymi odchylenia natężenia, czyli odchyłek pomiarowych.

Liczba poszczególnych punktów VP1-VPn i VR1-VRn pobranych do wyznaczenia krzywej CP elementu testowego i krzywej CR odniesienia może się w dużym stopniu zmieniać. Większa liczba umożliwia zwykle dokładniejsze wyznaczenie krzywej.

Wystarczającą ze względów praktycznych liczbą wartości jest liczba od 32 do 128 wartości, korzystnie 64. Po wydzieleniu wartości odniesienia VR1-VRn RAM stanowiącej urządzenie pamięci 1d lub w urządzeniu 1c pamięci trwałej, te dane mogą być przekazywane jako wartości odniesienia do innych urządzeń uwierzytelniających.

Podobnie, każde urządzenie do uwierzytelniania może mieć pewną liczbę segmentów pamięci do przechowywania wartości odniesienia VR1-VRn dla pewnej liczby różnych oznakowań M. Ogólnie biorąc, wartości odniesienia VR do porównania mogą być dostarczane w dowolny sposób; dane elektroniczne mogą być podawane między innymi przez pamięci wewnętrzne lub zewnętrzne, przez kartę pamięciową, za pomocą transmisji przewodowej lub bezprzewodowej, jako zaszyfrowany załącznik pamięci lub danych do próbki lub w dowolny inny dogodny sposób.

Centralna jednostka przetwarzająca 1a zespołu ADuC812 była programowana tak, aby zapewnić realizację projektowanych operacji po naciśnięciu przycisku B. Zawierają one w szczególności następujące funkcjonalne bloki programowe:

zapewnij autonomię zasilania podczas cyklu pomiarowego przez włączenie przełącznika 9, odczytaj położenie uczenie się/testowanie przełącznika trybu SLT,

PL 217 943 B1 jeżeli tryb uczenia się L, to:

przygotuj pamięć zewnętrzną do akwizycji danych DMA, pobudź impulsem diodę laserową, zbierz wyznaczoną liczbę próbek odpowiedzi materiału luminescencyjnego w trybie DMA i przekaż do urządzenia pamięci 1d, przetwarzaj końcowo próbkowane dane i zagęść je w zoptymalizowanej postaci w 64 punktach danych, zapisz zagęszczone i znormalizowane dane, włącznie ze wskaźnikiem kompresji, w wewnętrznym urządzeniu 1c pamięci trwałej EE/Flash danych, w charakterze odniesienia.

Jeżeli tryb testowania T, to:

przygotuj pamięć zewnętrzną do akwizycji danych DMA, pobudź impulsem diodę laserową, zbierz wyznaczoną liczbę próbek odpowiedzi materiału luminescencyjnego w trybie DMA i przekaż do urządzenia pamięci 1d, przetwarzaj końcowo próbkowane dane i zagęść je w zoptymalizowanej postaci w 64 punktach danych, zgodnie z zapisanym uprzednio wskaźnikiem kompresji, porównaj zagęszczone i znormalizowane dane z poprzednio zapisanymi znormalizowanymi danymi odniesienia w urządzeniu pamięci 1c, i wyznacz na ich podstawie wskaźnik zgodności/niezgodności, ustaw odpowiednio diody LED wskaźnika zatwierdzenie/odrzucenie, wskazując wynik, po okresie oczekiwania o zadanej długości, wyłącz zasilanie za pośrednictwem wyłącznika 9.

W zmodyfikowanej odmianie wykonania urządzenia do uwierzytelniania według niniejszego w ynalazku, przedstawionej w uproszczeniu na fig. 5, stosowane są dwa źródła 31 i 32 światła pobudzającego, do emitowania impulsów pobudzających P różnych długości fali, z optyką kolimacyjną 31a i 32a oraz odpowiednimi prądowymi modułami sterującymi 21 i 22 lasera. Stosowane są również dwie jednostki detektorowe dla dwóch długości fali, zawierające optykę kolimacyjną 41b i 42b, filtry 41a i 42a, fotodetektory 41 i 42, oraz wzmacniacze 51 i 52. Elementy optyczne są rozmieszczone tak, że wszystkie osie optyczne przecinają się w jednym punkcie obserwacji na próbce 7-P elementu testowego. Ta próbka 7-P elementu testowego z naniesionym oznakowaniem M-P elementu testowego, jest przepuszczana przez urządzenie uwierzytelniające. Zależnie od wykrywanej cechy charakterystycznej, procesor 1 wysyła pewien impuls prądowy do źródła 31 światła lub do źródła 32 światła, lub do ich obu. Zależnie od wykrywanej emisji, wykorzystuje się fotodetektor 41 i/lub fotodetektor 42.

Dla przykładu, urządzenie może być zaprojektowane odpowiednio do detekcji opartych na erbie materiałów przetwarzających w górę, pobudzanych źródłem pobudzającym 31 na 980 nm i dokonujących emisji w zieleni 550 nm, która będzie detekowana przez fotodetektor 41, luminofory europowe emisji równoczesnej, które są zawarte w oznakowaniu elementu testowego M-P są pobudzane przez źródło światła 32 na 370 nm, i emitują na fali około 610 nm, która będzie wykrywana przez fotodetektor 42. Obecność obu materiałów luminescencyjnych jest wymagana do potwierdzenia uwierzytelnienia oznakowania M-P elementu testowego. Zasady pracy urządzenia według tej konkretnej odmiany wykonania są poza tym takie same jak zasady pracy w przypadku pierwszej odmiany wykonania.

W innej konkretnej odmianie wykonania, urządzenie może być przeznaczone do detekcji przetwarzających w górę materiałów na bazie prazeodymu, które muszą być pobudzane równocześnie za pomocą pierwszego lasera na 1014 nm i drugiego lasera na 850 nm, i które następnie emitują w czerwieni na fali około 600 nm (fig. 7). W tej odmianie wykonania impulsy pobudzające P są generowane przez źródła pobudzające 31 i 32, które są uruchamiane równocześnie. Fotodetektor 41 jest przydzielony do monitorowania emisji 600 nm. Drugi fotodetektor 42 jest przeznaczony do monitorowania emisji z przetwarzaniem w dół 1310 nm prazeodymu, który również występuje. Zależnie od pożądanego stopnia złożoności i właściwości luminescencyjnych oznakowania elementu testowego M-P, można włączyć jeszcze inne źródła światła pobudzającego i/lub fotodetektory.

W jeszcze innym, bardziej rozbudowanym wykonaniu urządzenia uwierzytelniającego według niniejszego wynalazku, przedstawionym schematycznie na fig. 6, wykorzystuje się kombinację źródła pobudzającego 3 z wieloma diodami LED lub z diodą laserową LD, mikrospektrometr 4a' z ogniskującą siatką dyfrakcyjną zawierający prowadzącą światło końcówką wylotową, dwuwymiarową matrycę CCD 4b' w charakterze urządzenia fotodetektora/akwizycji oraz procesor 1 do sterowania akwizycją, przechowywania i oceny danych.

Korzystne jest, jeżeli źródło pobudzające 3 zawiera szereg diod elektroluminescencyjnych 31, 32, 33, ..., 3n o długościach fali emisji dobranych tak, aby pokryć w widmie światła ultrafiolet (UV),

PL 217 943 B1 światło widzialne i bliską podczerwień. W szczególności, okazało się korzystne stosowanie zbioru dostępnych w handlu diod LED, emitujących na fali 370 nm (ultrafiolet), 470 nm (błękitna) 525 nm (turkusowa), 570 nm (zielona), 590 nm (żółta), 610 nm (pomarańczowa), 660 nm (czerwona), 700 nm (ciemnoczerwona), 740 nm (podczerwień), 770 nm (podczerwień), 810 nm (podczerwień), 870 nm (podczerwień), 905 nm (podczerwień) i 740 nm (podczerwień). Te diody LED mogą być rozmieszczone odpowiednio dla wygody użytkownika, lecz korzystne jest, jeżeli są rozmieszczone na okręgu wokół prowadzącej światło końcówki mikrometru.

Mikrospektrometr 4a' z ogniskującą siatką dyfrakcyjną jest urządzeniem przedstawionym na fig. 8. Światło od elementu testowego jest skupiane w płaszczyźnie ogniskowej spektrometru przez filtr optyczny lub końcówkę prowadzącą światło, która działa jak punktowe źródło światła, oświetlając samoogniskującą odbijającą siatkę dyfrakcyjną. Ta ostatnia ogniskuje światło na powrót na liniowej matrycy fotodetektora, rozpraszając składowe o różnej długości fali zawarte w tym świetle na sąsiednie piksele wspomnianej matrycy. Widmo światła z elementu testowego jest przy tym otrzymywane przez odczytywanie pikseli matrycy fotodetektora.

W przypadku szybkiej akwizycji uzależnionych czasowo informacji widmowych wykorzystuje się dwuwymiarową matrycę 4b' elementu ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). Takie matryce CCD zawierają dwuwymiarowe pole pikseli fotoczułych, które mogą być odczytywane w procesie przesuwania według fig. 9a: piksele są najpierw przesuwane pionowo, wiersz po wierszu, do rejestru poziomego. Tam, poszczególne piksele są przesuwane poziomo, piksel po pikselu do wzmacniacza wstępnego, i dalej do wyjścia. Dwuwymiarowe matryce CCD są zwykle wykorzystywane w kamerach wideo i mogą zawierać od 256 do 1K pikseli w każdym wymiarze. Przesuwanie informacji pikselowej, występujące jako zmagazynowane elektrony generowane w zjawisku fotoelektrycznym, objaśniono na fig. 9b: dla każdego piksela wyznaczone są trzy elektrody (1, 2, 3), które są sterowane trójfazowymi dodatnimi sygnałami zegarowymi (φ1, φ2, φ3). Elektrony zawsze gromadzą się w dodatnich studniach potencjału, reprezentowanych przez stan w dół. Fazy „góra i „dół sygnałów zegarowych są dobrane tak, że zachodzą na siebie, co w wyniku powoduje przesuw zmagazynowanych elektronów całej struktury, o jeden piksel po każdym okresie zegara (t1 do t6), to znaczy:

t1 t2 t3 t4 t5 t6 φ1: góra góra góra dół dół dół φ2: dół dół góra góra góra dół φ3: góra dół dół dół góra góra

W kontekście niniejszego wynalazku, pierwszy wiersz pikseli fotoczułych PIX) wspomnianej dwuwymiarowej matrycy CCD służy jako liniowa matryca fotodetektora elementu mikrospektrometrycznego 4a'. Pozostałe wiersze pikseli nie są wykorzystywane jako czujniki fotoelektryczne, lecz są chronione przed wpływem światła i grają rolę głównego urządzenia pamięciowego dla uzależnionej od czasu informacji widmowej.

Procesor 1 ze swoim urządzeniem pamięciowym 1c steruje akwizycją danych i procesem obróbki, realizując następujące kroki:

pobudzanie impulsowe odpowiedniej diody lub diod źródła pobudzającego 3, w celu pobudzenia luminescencyjnego oznakowania próbki 7-P elementu testowego względem próbki odniesienie 7-R, po impulsie świetlnym, wykonanie odpowiedniej liczby przesunięć wierszy w matrycy CCD, w celu zarejestrowania uzależnionych od czasu informacji o odpowiedzi widmowej, jako dwuwymiarowej ramki obrazowej w ochranianym obszarze struktury, odczytanie uzależnionej od czasu informacji odpowiedzi widmowej ze struktury CCD i zmagazynowanie jej w urządzeniu pamięci 1c, wykonanie obróbki wstępnej i ocena zgromadzonej uzależnionej od czasu informacji widmowej w związku z czekającym zadaniem uwierzytelnienia.

Osiągalna rozdzielczość czasowa jest określona częstotliwością przesuwu wierszy w kroku b). Może ona wynosić nawet do 4 MHz, co odpowiadałoby podziałce czasu 250 ns. Odczytywanie danych zakumulowanych w kroku c) może odbywać się dużo wolniej, w sposób znany specjalistom. Dane dostępne po kroku c) odpowiadają „ramce obrazowej mającej pewien wymiar widmowy i wymiar czasowy. Krzywą zaniku w czasie można otrzymać z tej ramki przez oddzielenie obramowania czasowego dla odpowiedniej długości fali; informację tę można traktować i oceniać tak, jak w jednym z przykładów jednowymiarowych powyżej. Analiza może być, alternatywnie, rozszerzona na więcej niż jedną długość fali lub połączona z analizą widmową, dla wykorzystania drugiego wymiaru zebranej ramki danych.

Claims (7)

1. Urządzenie do uwierzytelniania luminescencyjnego oznakowania (M-P) elementu testowego, zawierające:

- źródło pobudzające (3, 31-36);

- detektor (4, 41, 42) do pomiaru wartości testowych lub wartości odniesienia (VP1-VPn; VR1-VRn) natężenia (I) emisji promieniowania emisyjnego (E) luminescencyjnego oznakowania (M-P) elementu testowego w odpowiedzi na i po wystąpieniu przynajmniej jednego impulsu pobudzającego (P) generowanego za pomocą przynajmniej jednego źródła pobudzającego (3, 31-36) w interwałach czasowych (t1-tn), oraz do dostarczania sygnału odpowiadającego testowym bądź referencyjnym wartościom natężenia (VP1-VPn; VR1-VRn); znamienne tym, że zawiera ponadto

- przynajmniej jeden procesor (1) obejmujący jednostkę CPU (1a), urządzenie pamięci (1c, 1d) oraz przetwornik A/D (1b), przystosowany do sterowania i synchronizacji wspomnianego źródła pobudzającego (3, 31-36) oraz detektora (4, 41,42) dla otrzymania i przetwarzania sygnału dostarczonego przez ten detektor za pośrednictwem wspomnianego przetwornika A/D (1b), oraz sterowania sekwencją odbioru danych zgodnie z częstotliwością próbkowania odpowiadającą wspomnianym interwałom czasowym (t1-tn), przy czym dane otrzymane z przetwornika A/D (1b) są przechowywane w urządzeniu pamięci (1c, 1d), przy czym procesor (1) obejmuje program zapisany w urządzeniu pamięciowym, który zapewnia procesorowi zdolność:

do określania na podstawie danych w urządzeniu pamięciowym przebiegu funkcji natężenia emisji elementu testowego względem czasu z testowych wartości (VP1-VPn) lub przebiegu funkcji emisyjnej odniesienia względem czasu z wartości odniesienia (VR1-VRn);

do porównywania przebiegu funkcji natężenia emisji elementu testowego względem czasu z zapamiętanym przebiegiem odniesienia funkcji natężenia emisji w funkcji czasu oraz do takiego normalizowania, przed porównaniem, funkcji emisji elementu testowego względem czasu z zapamiętaną funkcją natężenia odniesienia względem czasu, aby pokrywały się najwyższe wartości natężenia obu funkcji.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera ponadto przynajmniej jeden spektrometr do rozróżniania dwóch lub więcej emisyjnych długości fali i że przynajmniej jeden detektor (4b) stanowi matryca fotodetektorów do pomiaru promieniowania emisyjnego (E) na dwóch lub więcej emisyjnych długościach fali, umożliwiając równoczesny pomiar wartości (VR1-VRn) natężenia odniesienia promieniowania emisyjnego (E) luminescencyjnego oznakowania (M-R) odniesienia.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że przynajmniej jedną matrycę fotodetektorów (4) stanowi dwuwymiarowa matryca CCD, przy czym pierwszy wiersz pikseli fotoczułych (PIX) pracuje w charakterze matrycy do fotodetekcji, a pozostałe wiersze pikseli pracują w charakterze pierwotnego urządzenia pamięciowego dla informacji widmowej w funkcji czasu podczas procesu przesuwania wierszy.

4. System bezpieczeństwa do uwierzytelniania luminescencyjnego oznakowania (M-P) elementu testowego, zawierający:

- urządzenie do uwierzytelniania oznakowania elementu testowego (M-P), według dowolnego z zastrz. 1-3;

- przynajmniej jedną próbkę (7-R) odniesienia, zawierającą przynajmniej jedno luminescencyjne oznakowanie (M-R) odniesienia, do pomiaru wartości (VR1-VRn) natężenia odniesienia promieniowania emisyjnego (I) w interwałach czasowych (t1-tn) dla przynajmniej jednej długości fali promieniowania emisyjnego (E) luminescencyjnego oznakowania (M-R) odniesienia i

- przynajmniej jedną próbkę (7-P) elementu testowego zawierającą przynajmniej jedno luminescencyjne oznakowanie (M-P) elementu testowego, do pomiaru wartości (VP1-VPn) natężenia elementu testowego promieniowania emisyjnego (I) w interwałach czasowych (t1-tn) dla przynajmniej jednej długości fali promieniowania emisyjnego (E) luminescencyjnego oznakowania (M-P) elementu testowego.

5. System według zastrz. 4, znamienny tym, że przynajmniej jedna próbka (7-P) elementu testowego stanowi część farby drukarskiej i/lub kompozycji pokryciowej uwierzytelnianego artykułu (7).

6. System według zastrz. 5, znamienny tym, że przynajmniej jedna próbka

(7-P) elementu testowego jest zawarta w materiale masowym uwierzytelnianego artykułu (7).