WO2002052512A2 - Vorrichtungen und verfahren zur untersuchung von magnetischen eigenschaften von objekten - Google Patents

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    • G07D7/121—Apparatus characterised by sensor details

Definitions

  • the invention relates to devices and a method for examining magnetic properties of objects, in particular sheet material, such as e.g. Paper money.
  • the devices include a magneto-optical layer, the optical properties of which can be influenced by the magnetic properties of the object, a light source for generating light which is coupled into the magneto-optical layer, and a detector for detecting light which transmits from the magneto-optical layer and / or is reflected.
  • banknotes are provided with magnetic features, among other things. In automated banknote checking in banknote processing machines, banknotes are therefore also examined for their magnetic properties in order to distinguish counterfeit or suspected counterfeit from genuine banknotes.
  • banknotes are usually examined using inductive measuring heads, Hall elements or magnetoresistive elements, such as field plates or thin permalloy layers.
  • magneto-optical layers Compared to other measuring methods and arrangements, e.g. Inductive measuring heads, the use of magneto-optical layers has the advantage that they allow a high spatial resolution and the measurement of the magnetic flux is independent of the speed of the banknote relative to the measuring system.
  • the solutions of the task by the devices according to claims 1 and 9 are based on the common inventive idea, the change, i.e. Rotation to increase the direction of polarization of the light coupled into the magneto-optical layer.
  • This increases the sensitivity of the measuring device so that even very small magnetic fields can be examined with a sufficiently high level of accuracy and reliability.
  • the rotation of the polarization direction is increased in the device according to claim 1 in that the optical path length of the light passing through the magneto-optical layer is increased.
  • this is achieved by a suitable structure of the system consisting of magneto-optical layer and substrate.
  • the light source and the magneto-optical layer are arranged such that the direction of propagation of the light coupled into the layer runs essentially parallel to a base area of the magneto-optical layer.
  • parallel to the base of the layer are also those light rays which are inclined slightly, ie up to an angle of a few degrees, with respect to the base of the layer.
  • the angle of polarization rotation in the magneto-optical Faraday effect is proportional to the optical path length of the light passing through the magneto-optical material.
  • the optical path of the light increases by several orders of magnitude substantially perpendicular to the base area compared to the coupling known from the prior art. Accordingly, the angle of polarization rotation increases, so that a significant increase in sensitivity is achieved.
  • the magneto-optical layer consists at least partially of iron garnets and is applied to a substrate which at least partially consists of gallium garnets, oxygen being at least partially substituted by sulfur in the gallium garnets of the substrate.
  • Iron garnets are formed by compounds based on iron garnet (RE 3 Fe5 ⁇ 2), wherein RE 3 comprises three rare earth elements and iron (Fe) and / or oxygen (O) at least partially in each case by one or more other elements can be substituted.
  • Gallium garnets are compounds based on gallium garnet (RE3GasO ⁇ 2 ), with RE 3 three rare earth elements. comprises and gallium (Ga) and / or oxygen (O) can be at least partially substituted by one or more other elements.
  • the at least partial substitution of oxygen in the substrate by sulfur increases the lattice constant of the substrate, which in turn enables substitution of rare earth metals, e.g. yttrium, in the magneto-optical layer by sensitivity-increasing elements, in particular bismuth, with a larger atomic and / or ionic radius.
  • the angle of the polarization rotation which in the magneto-optical Faraday effect is proportional to a material constant influenced by the composition of the magneto-optical material, can be significantly increased.
  • the devices according to claims 1 and 9 can be used to carry out a more precise and reliable examination of even very small magnetic fields, in particular on banknotes.
  • a relatively large distance between the banknote and the magneto-optical layer is possible, as a result of which high transport speeds of the banknotes to be examined can be achieved with less wear and a significantly reduced risk of jamming.
  • the devices according to the invention can also achieve high spatial resolutions, so that they are particularly suitable for examining the magnetic properties of printed images produced with magnetic ink, of magnetic layers or of magnetic, in particular interrupted or coded, security threads or security tapes on or in banknotes or security documents.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with light running parallel to the base of the magneto-optical layer
  • Fig. 4 shows a device with an inventive structure of the substrate-layer system.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment with light running parallel to a base area 9 of the magneto-optical layer 10.
  • a bank note 20 with a magnetic area 21 is transported into the vicinity of the magneto-optical layer 10 by means of a transport system 30, which is only indicated in the drawing.
  • the light source 11, preferably a laser or a laser diode, the magnetic layer 10 and the detector 13, preferably a photodiode, are arranged in such a way that the direction of propagation of the light coupled into the layer 10 runs essentially parallel to the base area 9 of the layer 10 and the light emerging from the layer 10 can be detected by the detector 13.
  • essentially parallel propagation is also to be understood to mean that the magneto-optical layer 10 can be inclined slightly, that is to say a few degrees of angle, with respect to the coupled-in light beam 16 in order to achieve the greatest possible optical path of the coupled-in light through the layer 10 ,
  • a polarization filter 14 or 15 is arranged between magneto-optical layer 10 and light source 11 or detector 13. The light transmitted by the polarization filter 14 has a defined polarization 1 before entering the magneto-optical layer 10.
  • the optical properties of the magneto-optical layer 10 are influenced and as a result, depending on the shape and strength of the magnetic stray field originating from the magnetic region 21 of the bank note 20 the polarization rotation of the light passing through the layer changes (Faraday effect).
  • the light After passing through the layer, the light has a polarization 2, which is generally rotated by a polarization angle ⁇ with respect to the polarization 1 of the incoming light 16.
  • the intensity detected with the detector 13 varies, from which the magnetic properties of the examined banknote 20 can then be deduced.
  • FIG. 2 shows an example of a direction of propagation of the injected light which runs essentially parallel to the base area 9 of the layer 10.
  • the light 16 to be coupled strikes the magneto-optical layer 10 in the region of a side surface 7 and forms a flat angle ⁇ with the solder 5 running parallel to the base surface 9, which is typically in the range between approximately 0 and 12 degrees.
  • the layer 10 then acts like a waveguide, at its interfaces, i.e. Base areas 9, the obliquely incident light is reflected with negligible losses and thereby extends essentially parallel to the base area 9 of the layer 10. In the example shown, the reflection takes place at the interface between the layer 10 and the surroundings or the substrate 8.
  • the light can alternatively also be coupled in in the area of a base area 9 of the layer 10.
  • the angle ⁇ which the light 16 to be coupled in with the base area 9 is to be chosen to be correspondingly small, ie less than about 10 degrees, in order to achieve the longest possible optical path in the layer 10 with at the same time low losses due to multiple reflections.
  • the substrate 8 on which the magneto-optical layer 10 is located, for the Coupling light 16 transmissive the coupling can also take place via the substrate 8.
  • FIG. 4 shows the embodiment of a device with a substrate-layer system consisting of the substrate 8 and the layer 10, which has the composition according to the invention of gallium or iron garnets, with oxygen at least partially in the gallium garnets of the substrate 8 is substituted by sulfur. Since the sensitivity of the magneto-optical layer is significantly increased in this composition of the substrate-layer system, in particular when rare earth metal elements of layer 10 are replaced by bismuth, a relatively short optical path of the coupled light through layer 10 is sufficient to to ensure great reliability and accuracy when examining small magnetic fields.
  • the light source 11 and the magneto-optical layer 10 are arranged such that the light 16 to be coupled in is coupled in at a steep angle, which is typically between 70 and 90 degrees, to the base area 9 of the layer 10.
  • a transport system 30 is also provided in this exemplary embodiment, which transports a bank note 20 with a magnetic area 21 past the layer 10.
  • polarization filters 14 and 15 are also arranged between the magneto-optical layer 10 and the light source 11 or the detector 13 in order to be able to analyze the rotation of the polarization direction of the light caused by the layer 10.
  • the substrate 8 is transparent to the light 16 to be coupled in.
  • the base surface 9 of the magneto-optical layer 10 facing away from the substrate 8 is also provided with a mirror coating 6.
  • the coupled light first passes through the substrate 8 and then through the Layer 10 is then reflected by the mirror coating 6 and can be detected by the detector 13 after a further pass through the layer 10 and the substrate 8.
  • the layer 10 can also be applied to a substrate 8 that is impermeable to the coupled light (not shown).
  • the egg is coupled directly into layer 10.
  • the light passing through layer 10 is then at least partially reflected at the interface between layer 10 and substrate 8 and can be detected by detector 13 after passing through layer 10 again.
  • the magneto-optical layer 10 is generally applied to a crystalline substrate 8 by various chemical or physical techniques, such as liquid phase epitaxy or PVD processes such as sputtering or laser ablation, and preferably consists of iron grenades.
  • iron garnets in accordance with the invention are compounds based on iron garnet (RE 3 Fe5 ⁇ i2), wherein RE 3 comprises three rare earth elements, particularly yttrium (Y), thulium (Tm) or lutetium (Lu) , and wherein iron (Fe) and / or oxygen (O) can be at least partially substituted by one or more other elements. NEN.
  • the three rare earth elements (RE 3 ) can be three identical rare earth elements but also any combination of different rare earth elements.
  • Gallium garnets are preferably used as the material for the substrate.
  • RE 3 comprises three rare earth metal elements, in particular scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd), thulium (Tm ) or Lutetium (Lu), and being Gallium (Ga) and / or oxygen (O) can be partially substituted by one or more other elements.
  • the three rare earth elements (RE 3 ) can be three identical rare earth elements but also any combination of different rare earth elements.
  • At least one rare earth element in particular yttrium (Y)
  • Y yttrium
  • Bi bismuth
  • the lattice mismatch of substrate and magneto-optical view increases, which can lead to stresses and dislocations in the magneto-optical layer and the increase in sensitivity of the magneto-optical layer counteracts.
  • This lattice mismatch can be reduced, for example, by oxygen (O) being at least partially substituted by sulfur (S) in the gallium garnets of the substrate.
  • this can also be achieved in that gallium (Ga) and / or at least one rare earth element (RE) in the gallium garnets of the substrate at least partially by calcium (Ca) and / or magnesium (Mg) and / or zirconium (Zr) is substituted.
  • Ga gallium
  • RE rare earth element
  • the lattice mismatch between the substrate and a magneto-optical layer 10 based on iron garnets can also be reduced in that iron (Fe) in the magneto-optical layer 10 is at least partially substituted by gallium (Ga) and / or Al 3+ ions ,
  • the following table shows three examples (1 to 3) for layer systems consisting of a magneto-optical layer and a correspondingly adapted substrate:
  • the rare earth element yttrium (Y) or lutetium (Lu)
  • the iron garnet is partially substituted by bismuth (Bi) in order to increase the sensitivity. to reach the shift.
  • iron (Fe) is also partly replaced by gallium (Ga)
  • iron (Fe) is additionally partly substituted by aluminum (Al 3+ ) in order to reduce the lattice mismatch with the substrate.
  • the specified size ranges of the indices x, y and z in Examples 2 and 3 allow a large number of realizable compositions of the magneto-optical layers.
  • the substrates are gadolinium gallium garnets, in the lattice of which magnesium (Mg), zirconium (Zr) and calcium (Ca) are incorporated.
  • Mg magnesium
  • Zr zirconium
  • Ca calcium
  • other rare earth metals in particular samarium (Sm)
  • Sm samarium
  • S sulfur
  • the light source 11 and the magneto-optical layer 10 are preferably arranged such that the light 16 emanating from the light source 11 strikes the magneto-optical layer 10 at a Brewster angle.
  • the Brewster angle is the angle whose tangent is equal to the refractive index of the magneto-optical layer 10. Part of the light 16 striking the magneto-optical layer 10 at the Brewster angle is reflected and has a polarization, so-called s-polarization, perpendicular to the plane of incidence, while the other part of the light 16 incident at the Brewster angle is refracted into the layer and one has polarization parallel to the plane of incidence, so-called p-polarization.
  • the Brewster angle is preferably between about 60 and 70 degrees. With typical refractive indices of the grenades used between about 2.2 and 2.4, this is in particular between about 66.5 and 67.4 degrees.
  • the light 16 striking the magneto-optical layer 10 at a Brewster angle preferably has a polarization parallel to the plane of incidence, so-called p-polarization. In this case, almost no light is reflected and almost all of the light striking the magneto-optical layer 10 is coupled into the layer. In this way, a particularly effective light coupling is achieved without the need for an anti-reflective coating on the layer 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Objekten, insbesondere Blattgut, wie z.B. Banknoten (20). Die Vorrichtungen umfassen eine magnetooptische Schicht (10), deren optische Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften des Blattguts (20) beeinflußbar sind, eine Lichtquelle (11) zur Erzeugung von Licht, welches in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelt wird, und einen Detektor (13) zur Detektion von Lich, welches von der magnetooptischen Schicht (10) transmittiert und/oder reflektiert wird. Zur zuverlässigen Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Blattgut ist vorgesehen, daß die Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Lichts parallel zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) verläuft. Mit Hilfe der Erfindung lassen sich die magnetischen Eigenschaften insbesondere von Blattgut mit Bereichen, von welchen nur sehr schwache Magnetfelder ausgehen, mit sehr hoher Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit untersuchen.

Description

Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung von magnetischen Eigenschaften von Objekten
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Objekten, insbesondere Blattgut, wie z.B. Banknoten. Die Vorrichtungen umfassen eine magnetooptische Schicht, deren optische Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften des Objekts beeinflußbar sind, eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, welches in die magnetooptische Schicht eingekoppelt wird, und einen Detektor zur Detek- tion von Licht, welches von der magnetooptischen Schicht transmittiert und/ oder reflektiert wird.
Zur Gewährleistung einer hohen Fälschungssicherheit werden Banknoten unter anderem mit magnetischen Merkmalen versehen. Bei der automatisierten Banknotenprüfung in Banknotenbearbeitungsmaschinen werden daher Banknoten auch auf ihre magnetischen Eigenschaften hin untersucht, um gefälschte oder fälschungsverdächtige von echten Banknoten zu unterscheiden.
Die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Banknoten erfolgt hierbei meist unter Verwendung von induktiven Meßköpfen, Hall-Elementen oder magnetoresistiven Elementen, wie beispielsweise Feldplatten oder dünnen Permalloy-Schichten.
Darüber hinaus ist bekannt, die magnetischen Eigenschaften von Banknoten unter Verwendung von magnetooptischen Schichten zu untersuchen. Eine geeignete Vorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Off enlegungs- schrift DE 19718 122 AI bekannt. Eine magnetooptische Reflektorschicht mit hohem magnetischen Kerr-Effekt wird hierin mit polarisiertem Licht be- leuchtet und das reflektierte Licht nach Durchlaufen eines Polarisationsfilters detektiert. Wird eine zu untersuchende Banknote dicht hinter die Reflektorschicht gebracht, so beeinflussen die magnetischen Streuflüsse der magnetischen Bereiche der Banknote das optische Verhalten der Reflektorschicht, wobei die Polarisationsrichtung des detektierten Lichts verändert wird. Aus der gemessenen Veränderung der Polarisation kann dann auf die magnetischen Eigenschaften des Blattguts geschlossen werden.
Gegenüber anderen Meßverfahren und -anordnungen, z.B. induktiven Meßköpfen, hat die Verwendung von magnetooptischen Schichten den Vorteil, daß diese eine hohe Ortsauflösung erlauben und die Messung der magnetischen Flüsse unabhängig von der Geschwindigkeit der Banknote relativ zum Meßsystem ist.
Bei der maschinellen Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Banknoten tritt insbesondere das Problem auf, daß sehr kleine Magnetfluß- dichten nachgewiesen werden müssen, um eine ausreichend genaue und zuverlässige Überprüfung der Echtheit gewährleisten zu können. Dies ist dadurch bedingt, daß zum einen die von den einzelnen magnetischen Bereichen der Banknoten verursachten Streuflüsse sehr klein sind, und zum anderen die typischen Abstände zwischen Banknote und magnetooptischer Schicht aufgrund der bei Banknotenbearbeitungsmaschinen geforderten hohen Transportgeschwindigkeit nicht beliebig klein sein können, weil dies sonst zu einem erhöhten Verschleiß der zu überprüfenden Banknoten sowie einzelner Sensorkomponenten führen würde und darüber hinaus eine erhöhte Staugefahr zur Folge hätte. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen sowie ein Verfahren anzugeben, welche eine genauere und zuverlässigere Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Blattgut erlauben.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 oder 9 sowie durch das Verfahren gemäß dem Anspruch 17 gelöst.
Den Lösungen der Aufgabenstellung durch die Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 9 liegt der gemeinsame erfinderische Gedanke zugrunde, die Veränderung, d.h. Drehung, der Polarisationsrichtung des in die magnetooptische Schicht eingekoppelten Lichts zu vergrößern. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung erhöht, so daß selbst sehr kleine Magnetfelder mit einer ausreichend hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit untersucht werden können. Die Drehung der Polarisationsrichtung wird bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch vergrößert, daß die optische Weglänge des die magnetooptische Schicht durchlaufenden Lichts erhöht wird. Bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 9 wird dies durch einen geeigneten Aufbau des aus magnetooptischer Schicht und Substrat bestehenden Systems erreicht.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, daß die Lichtquelle und die magnetooptische Schicht so angeordnet sind, daß die Ausbreitungsrichtung des in die Schicht eingekoppelten Lichts im wesentlichen parallel zu einer Grundfläche der magnetooptischen Schicht verläuft. Parallel zur Grundfläche der Schicht verlaufen im Sinne der Erfindung auch solche Lichtstrahlen, welche geringfügig, d.h. bis zu einem Winkel von einigen Grad, gegenüber der Grundfläche der Schicht geneigt sind. Bekanntlich ist der Winkel der Polarisationsdrehung beim magnetooptischen Faraday-Effekt proportional zur optischen Weglänge des das magnetooptische Material durchlaufenden Lichts. Durch die erfindungsgemäße Ein- kopplung des Lichts im wesentlichen parallel zur Schicht erhöht sich der optische Weg des Lichts gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Einkopplung im wesentlichen senkrecht zur Grundfläche um mehrere Größenordnungen. Dementsprechend vergrößert sich der Winkel der Polari- satioήsdrehung, so daß eine deutliche Empfindlichkeitssteigerung erreicht wird.
Gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, daß die magnetooptische Schicht zumindest teilweise aus Eisen-Granaten besteht und auf einem Substrat aufgebracht ist, welches zumindest teilweise aus Gallium-Granaten besteht, wobei in den Gallium-Granaten des Substrats Sauerstoff zumindest teilweise durch Schwefel substituiert ist. Eisen-Granate werden durch Verbindungen auf der Basis von Eisen-Granat (RE3Fe5θι2) gebildet, wobei RE3 drei Seltenerdmetall- Elemente umfaßt und Eisen (Fe) und/ oder Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch jeweils ein oder mehrere andere Elemente substituiert werden können. Bei Gallium-Granaten handelt es sich um Verbindungen auf der Basis von Gallium-Granat (RE3GasOι2), wobei RE3 drei Seltenerdmetall-Elemente . umfaßt und Gallium (Ga) und/ oder Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch jeweils ein oder mehrere andere Elemente substituiert werden können.
Durch die zumindest teilweise Substitution von Sauerstoff im Substrat durch Schwefel wird die Gitterkonstante des Substrats vergrößert, was wiederum eine Substitution von Seltenerdmetallen, z.B. Yttrium, in der magnetooptischen Schicht durch empfindlichkeitssteigernde Elemente, insbesondere Wismut, mit größerem Atom- und/ oder Ionenradius ermöglicht. Auf diese Weise kann der Winkel der Polarisatioήsdrehung, welcher beim magnetooptischen Faraday-Effekt proportional zu einer von der Zusammensetzung des magnetooptischen Materials beeinflußten Materialkonstante ist, deutlich vergrößert werden.
Insgesamt läßt sich mit den Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 bzw. 9 eine genauere und zuverlässigere Untersuchung selbst sehr kleiner Magnetfelder, insbesondere auf Banknoten, durchführen. Gleichzeitig ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ein relativ großer Abstand zwischen Banknote und magnetooptischer Schicht möglich, wodurch hohe Transportgeschwindigkeiten der zu untersuchenden Banknoten bei geringerem Verschleiß und deutlich reduzierter Staugefahr erreicht werden können.
Durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich außerdem hohe räumliche Auflösungen erreichen, so daß diese besonders geeignet sind zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von mit magnetischer Tinte erzeugten Druckbildern, von magnetischen Schichten oder von magnetischen, insbesondere unterbrochenen oder kodierten, Sicherheitsfäden oder Sicherheitsbändern auf bzw. in Banknoten oder Sicherheitsdokumenten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit parallel zur Grundfläche der magnetooptischen Schicht verlaufendem Licht;
Fig. 2 ein Beispiel für eine im wesentlichen parallel zur Grundfläche der Schicht verlaufende Lichtausbreitung bei seitlicher Einkopplung; Fig. 3 ein weiteres Beispiel für eine im wesentlichen parallel zur Grundfläche der Schicht verlaufende Lichtausbreitung bei Einkopplung über eine Grundfläche der Schicht; und
Fig. 4 eine Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Aufbau des Substrat- Schicht-Systems .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit parallel zu einer Grundfläche 9 der magnetooptischen Schicht 10 verlaufendem Licht. Eine Banknote 20 mit einem magnetischen Bereich 21 wird mittels eines - nur andeutungsweise dargestellten - Transportsystems 30 in die Nähe der magnetooptischen Schicht 10 transportiert. Die Lichtquelle 11, bevorzugterweise ein Laser oder eine Laserdiode, die magnetische Schicht 10 sowie der Detektor 13, vorzugsweise eine Photodiode, sind hierbei so angeordnet, daß die Ausbreitungsrichtung des in die Schicht 10 eingekoppelten Lichts im wesentlichen parallel zur Grundfläche 9 der Schicht 10 verläuft und das aus der Schicht 10 austretende Licht vom Detektor 13 detektiert werden kann. Im Sinne der Erfindung ist unter einer im wesentlichen parallelen Ausbreitung auch zu verstehen, daß die magnetooptische Schicht 10 geringfügig, d.h. wenige Winkelgrade, gegenüber dem eingekoppelten Lichtstrahl 16 geneigt sein kann, um einen möglichst großen optischen Weg des eingekoppelten Lichts durch die Schicht 10 zu erreichen. Zwischen magnetooptischer Schicht 10 und Lichtquelle 11 bzw. Detektor 13 ist jeweils ein Polarisationsfilter 14 bzw. 15 angeordnet. Das von dem Polarisationsfilter 14 durchgelassene Licht hat vor dem Eintritt in die magnetooptische Schicht 10 eine definierte Polarisation 1. Je nach Verlauf und Stärke des vom magnetischen Bereich 21 der Banknote 20 herrührenden magnetischen Streufeldes werden die optischen Eigenschaften der magnetöoptischen Schicht 10 beeinflußt und infolgedessen die Polarisationsdrehung des die Schicht durchlaufenden Lichts verändert (Faraday-Effekt). Nach dem Durchlaufen der Schicht weist das Licht eine Polarisation 2 auf, welche i.a. gegenüber der Polarisation 1 des eintretenden Lichts 16 um einen Polarisationswinkel θ gedreht ist. Je nach Größe des Polarisationswinkels θ und Stellung des Polarisationsfilters 15 variiert die mit dem Detektor 13 detektierte Intensität, aus welcher dann auf die magnetischen Eigenschaften der untersuchten Banknote 20 geschlossen werden kann.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine im wesentlichen parallel zur Grundfläche 9 der Schicht 10 verlaufende Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Lichts. Das einzukoppelnde Licht 16 trifft im Bereich einer Seitenfläche 7 auf die magnetooptische Schicht 10 und schließt mit dem parallel zur Grundfläche 9 verlaufenden Lot 5 einen flachen Winkel α ein, welcher typischerweise im Bereich zwischen etwa 0 und 12 Grad liegt. Auf das in dieser Weise eingekoppelte Licht wirkt die Schicht 10 dann wie ein Wellenleiter, an dessen Grenzflächen, d.h. Grundflächen 9, das schräg einfallende Licht mit vernachlässigbaren Verlusten reflektiert wird und sich dabei im wesentlichen parallel zur Grundfläche 9 der Schicht 10 ausbreitet. Die Reflexion erfolgt im dargestellten Beispiel an der Grenzfläche zwischen der Schicht 10 und der Umgebung bzw. dem Substrat 8.
Wie in Figur 3 dargestellt, kann das Licht alternativ auch im Bereich einer Grundfläche 9 der Schicht 10 eingekoppelt werden. In diesem Beispiel ist der Winkel ß, den das einzukoppelnde Licht 16 mit der Grundfläche 9 einschließt, entsprechend klein zu wählen, d.h. kleiner als etwa 10 Grad, um einen möglichst langen optischen Weg in der Schicht 10 bei gleichzeitig geringen Verlusten durch Mehrfachreflexionen zu erreichen. Ist das Substrat 8, auf welchem sich die magnetooptische Schicht 10 befindet, für das einzu- koppelnde Licht 16 durchlässig, so kann die Einkopplung auch über das Substrat 8 erfolgen.
Figur 4 zeigt die Ausführungsform einer Vorrichtung mit einem aus dem Substrat 8 und der Schicht 10 bestehenden Substrat-Schicht-System, welches die erfindungsgemäße Zusammensetzung aus Gallium- bzw. Eisen-Granaten aufweist, wobei in den Gallium-Granaten des Substrats 8 Sauerstoff zumindest teilweise durch Schwefel substituiert ist. Da in dieser Zusammensetzung des Substrat-Schicht-Systems die Empfindlichkeit der magnetooptischen Schicht deutlich erhöht ist, insbesondere bei einer Substitution von Seltenerdmetall-Elementen der Schicht 10 durch Wismut, ist bereits ein relativ kurzer optischer Weg des eingekoppelten Lichts durch die Schicht 10 ausreichend, um eine große Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Untersuchung kleiner Magnetfelder zu gewährleisten. Daher sind in diesem Beispiel die Lichtquelle 11 und die magnetooptische Schicht 10 so angeordnet, daß das einzukoppelnde Licht 16 in einem steilen Winkel, welcher typischerweise zwischen 70 und 90 Grad liegt, zur Grundfläche 9 der Schicht 10 eingekoppelt wird. Wie in Figur 1 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel ein Transportsystem 30, welches eine Banknote 20 mit einem magnetischen Bereich 21 an der Schicht 10 vorbeitransportiert, vorgesehen. Darüber hinaus sind ebenfalls zwischen der magnetooptischen Schicht 10 und der Lichtquelle 11 bzw dem Detektor 13 Polarisationsfilter 14 bzw. 15 angeordnet, um die durch die Schicht 10 verursachte Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts analysieren zu können.
Im dargestellten Beispiel der Figur 4 ist das Substrat 8 für das einzukoppelnde Licht 16 durchlässig. Die vom Substrat 8 abgewandte Grundfläche 9 der magnetooptischen Schicht 10 ist außerdem mit einer Verspiegelung 6 versehen. Das eingekoppelte Licht durchläuft zuerst das Substrat 8 und dann die Schicht 10, wird anschließend an der Verspiegelung 6 reflektiert und kann nach einem weiteren Durchlauf durch die Schicht 10 und das Substrat 8 vom Detektor 13 detektiert werden.
Alternativ kann die Schicht 10 auch auf ein für das eingekoppelte Licht undurchlässiges Substrat 8 aufgebracht sein (nicht dargestellt). In diesem Fall erfolgt die Ei kopplung direkt in die Schicht 10. Das die Schicht 10 durchlaufende Licht wird dann an der Grenzfläche zwischen Schicht 10 und Substrat 8 zumindest teilweise reflektiert und kann nach abermaligem Durchlauf durch die Schicht 10 vom Detektor 13 detektiert werden.
Die magnetooptische Schicht 10 wird im allgemeinen auf ein kristallines Substrat 8 durch verschiedene chemische oder physikalische Techniken, wie z.B. Flüssigphasen-Epitaxie oder PVD-Prozesse wie Sputtern oder Laserabla- tion, aufgebracht und besteht bevorzugterweise aus Eisen-Granaten. Bei Eisen-Granaten im Sinne der Erfindung handelt es sich um Verbindungen auf der Basis von Eisen-Granat (RE3Fe5θi2), wobei RE3 drei Seltenerdmetall- Elemente umfaßt, insbesondere Yttrium (Y), Thulium (Tm) oder Lutetium (Lu), und wobei Eisen (Fe) und/ oder Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch jeweils ein oder mehrere andere Elemente substituiert werden kön- . nen. Bei den drei Seltenerdmetall-Elementen (RE3) kann es sich um drei identische Seltenerdmetall-Elemente aber auch um eine beliebige Kombination aus unterschiedlichen Seltenerdmetall-Elementen handeln.
Als Material für das Substrat werden bevorzugterweise Gallium-Granate verwendet. Im Sinne der Erfindung sind hierunter Verbindungen auf der Basis von Gallium-Granat (RE3Ga5θi2) zu verstehen, wobei RE3 drei Seltenerdmetall-Elemente umfaßt, insbesondere Scandium (Sc), Samarium (Sm), Gadolinium (Gd), Thulium (Tm) oder Lutetium (Lu), und wobei Gallium (Ga) und/ oder Sauerstoff (O) teilweise durch jeweils ein oder melirere andere Elemente substituiert werden können. Bei den drei Seltenerdmetall- Elementen (RE3) kann es sich um drei identische Seltenerdmetall-Elemente aber auch um eine beliebige Kombination aus unterschiedlichen Seltenerdmetall-Elementen handeln.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der magnetooptischen Schicht kann mindestens ein Seltenerdmetall-Element (RE), insbesondere Yttrium (Y), in den Eisen-Granaten zumindest teilweise durch Wismut (Bi) substituiert werden.
Mit zunehmender Substituierung von Seltenerdmetallen (RE), insbesondere Yttrium (Y), durch Wismut (Bi) nimmt allerdings die Gitterfehlanpassung von Substrat und magnetooptischer Sicht zu, was zu Spannungen und Versetzungen in der magnetooptischen Schicht führen kann und der Zunahme der Empfindlichkeit der magnetooptischen Schicht entgegenwirkt. Diese Gitterfehlanpassung kann beispielsweise dadurch herabgesetzt werden, daß in den Gallium-Granaten des Substrats Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch Schwefel (S) substituiert wird. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann dies auch dadurch erreicht werden, daß in den Gallium-Granaten des Substrats Gallium (Ga) und/ oder zumindest ein Seltenerdmetall-Element (RE) zumindest teilweise durch Kalzium (Ca) und/ oder Magnesium (Mg) und/ oder Zirkon (Zr) substituiert wird.
Die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und einer magnetooptischen Schicht 10 auf der Basis von Eisen-Granaten kann auch dadurch reduziert werden, daß Eisen (Fe) in der magnetooptischen Schicht 10 zumindest teilweise durch Gallium (Ga) und/ oder Al3+-Ionen substituiert wird. Folgende Tabelle zeigt drei Beispiele (1 bis 3) für Schichtsysteme aus einer magnetooptischen Schicht und einem entsprechend angepaßten Substrat:
Figure imgf000012_0001
In den magnetooptischen Schichten aller Beispiele 1 bis 3 ist das Seltenerdmetall-Element, Yttrium (Y) bzw. Lutetium (Lu), der Eisen-Granate teilweise durch Wismut (Bi) substituiert, um eine Vergrößerung der Empfindlichkeit . der Schicht zu erreichen. In den gezeigten Beispielen ist außerdem Eisen (Fe) teilweise durch Gallium (Ga) ersetzt, in Beispiel 2 ist Eisen (Fe) zusätzlich zum Teil durch Aluminium (Al3+) substituiert, um die Gitterfehlanpassung zum Substrat zu reduzieren. Die angegebenen Größenbereiche der Indizes x, y und z in den Beispielen 2 und 3 erlauben eine Vielzahl realisierbarer Zusammensetzungen der magnetooptischen Schichten.
Bei den Substraten handelt es sich in allen gezeigten Beispielen um Gadolinium-Gallium-Granate, in deren Gitter Magnesium (Mg), Zirkon (Zr) und Kalzium (Ca) eingebaut sind. Prinzipiell können anstelle von Gadolinium (Gd) auch andere Seltenerdmetalle, insbesondere Samarium (Sm), eingesetzt werden. Zur verbesserten Gitteranpassung an die jeweilige magnetooptische Schicht wurde in den Substratschichten der Beispiele 1 und 3 Sauerstoff (O) durch Schwefel (S) ersetzt. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Lichtquelle 11 und die magnetooptische Schicht 10 vorzugsweise so angeordnet, daß das von der Lichtquelle 11 ausgehende Licht 16 im Brewsterwinkel auf die magnetooptische Schicht 10 trifft. Der Brewsterwinkel ist derjenige Winkel, dessen Tangens gleich dem Brechungsindex der magnetöoptischen Schicht 10 ist. Ein Teil des im Brewsterwinkel auf die magnetooptische Schicht 10 treffenden Lichts 16 wird reflektiert und weist eine senkrecht zur Einfallsebene stehende Polarisation, sog. s-Polarisation, auf, während der andere Teil des im Brewsterwinkel einfallenden Lichts 16 in die Schicht hinein gebrochen wird und eine parallel zur Einfallsebene stehende Polarisation, sog. p- Polarisation, aufweist.
Der Brewsterwinkel liegt vorzugsweise zwischen etwa 60 und 70 Grad. Bei typischen Brechungsindizes der verwendeten Granate zwischen etwa 2,2 und 2,4 liegt dieser insbesondere zwischen etwa 66,5 und 67,4 Grad.
Vorzugsweise weist das im Brewsterwinkel auf die magnetooptische Schicht 10 treffende Licht 16 eine zur Einfallsebene parallele Polarisation, sog. p-Polarisation, auf. In diesem Fall wird nahezu kein Licht reflektiert und fast das gesamte auf die magnetooptische Schicht 10 treffende Licht in die Schicht eingekoppelt. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Lichteinkopplung erreicht, ohne daß eine Antireflex-Beschichtung der Schicht 10 erforderlich wäre.

Claims

a t e n t a n s p r ü c e
1. Vorrichtung zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Objekten, insbesondere Blattgut, wie z.B. Banknoten (20), mit
- einer magnetöoptischen Schicht (10), deren optische Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften des Objekts beeinflußbar sind,
- einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung von Licht, welches in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelt wird, und
- einem Detektor (13) zur Detektion von Licht, welches von der magnetooptischen Schicht (10) transmittiert und/ oder reflektiert wird, . dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß die Ausbreitungsrichtung des in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelten Lichts im wesentlichen parallel zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß das Licht im Bereich einer Seitenfläche (7) der magnetooptischen Schicht (10) eingekoppelt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß das im Bereich einer Seitenfläche (7) der magnetooptischen Schicht (10) einzukoppelnde Licht (16) einen flachen Winkel (α) zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) einschließt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß das Licht im Bereich einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) eingekoppelt wird, wobei das einzukoppelnde Licht einen flachen Winkel (ß) zur Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) einschließt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle (11) und magnetooptischer Schicht (10) und/ oder zwischen Detektor (13) und magnetooptischer Schicht (10) jeweils mindestens ein Polarisationsfilter (14, 15) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (13) eine Photodiode vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (11) ein Laser, insbesondere eine Laserdiode, vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetooptische Schicht (10) auf einem Substrat (8) aufgebracht ist, welches als Träger der magnetooptischen Schicht (10) dient.
Vorrichtung zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Objekten, insbesondere Blattgut, wie z.B. Banknoten (20), mit
- einer magnetooptischen Schicht (10), deren optische Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften des Objekts beeinflußbar sind,
- einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung von Licht, welches in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelt wird, und
- einem Detektor (13) zur Detektion von Licht, welches von der magnetooptischen (10) Schicht transmittiert und/ oder reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- die magnetooptische Schicht (10) zumindest teilweise aus Eisen- Granaten besteht, wobei
- Eisen-Granate durch Verbindungen auf der Basis von Eisen- Granat (RE3Fe5θi2) gebildet werden,
- RE3 drei Seltenerdmetall-Elemente umfaßt und
- Eisen (Fe) und/ oder Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch jeweils ein oder mehrere andere Elemente substituiert werden können, ,
- die magnetooptische Schicht (10) auf einem Substrat (8) aufgebracht ist, welches zumindest teilweise aus Gallium-Granaten besteht, wobei
- Gallium-Granate durch Verbindungen auf der Basis von Gallium-Granat (REsGa5θι2) gebildet werden,
- RE3 drei Seltenerdmetall-Elemente umfaßt und
- Gallium (Ga) und/ oder Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch jeweils ein oder mehrere andere Elemente substituiert werden können, und
- im Substrat (8) Sauerstoff (O) zumindest teilweise durch Schwefel (S) substituiert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der magnetooptischen Schicht (10) mindestens ein Seltenerdmetall-Element (RE) zumindest teilweise durch Wismut (Bi) substituiert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der magnetooptischen Schicht (10) Eisen (Fe) zumindest teilweise durch Gallium (Ga) oder Aluminium-Ionen (Al3+) substituiert ist.
12. Vorrichtung nach einem Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gallium-Granaten des Substrats Gallium (Ga) und/ oder mindestens ein Seltenerdmetall-Element (RE) zumindest teilweise durch Kalzium (Ca) und/ oder Magnesium (Mg) und/ oder Zirkon (Zr) substituiert ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so an-
. geordnet sind, daß die Ausbreitungsrichtung des in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelten Lichts im wesentlichen parallel zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) verläuft.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß das Licht die magnetooptische Schicht (10) im wesentlichen senkrecht zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) eingekoppelt wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) für das in die magnetooptische Schicht (10) ein- zukoppelnde Licht durchlässig ist und die vom Substrat (8) abgewandte Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) mit einer Verspiege- lung (6) zur Reflexion des in die magnetooptische Schicht (10) eingekoppelten Lichts versehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) für das in die magnetooptische Schicht (10) einzukoppelnde Licht undurchlässig ist
17. Verfahren zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Blattgut, insbesondere Banknoten (20), bei welchem
- in eine magnetooptische Schicht (10), deren optische Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften des zu untersuchenden Blattguts beeinflußbar sind, Licht eingekoppelt wird und
- das von der magnetooptischen Schicht (10) transmittierte und/ oder reflektierte Licht detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht derart eingekoppelt wird, daß seine Ausbreitungsrichtung im wesentlichen parallel zu einer Grundfläche (9) der magnetooptischen Schicht (10) verläuft.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) und die magnetooptische Schicht (10) so angeordnet sind, daß das von der Lichtquelle (11) ausgehende Licht (16) im Brewsterwinkel auf die magnetooptische Schicht (10) trifft.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Brewsterwinkel vorzugsweise zwischen etwa 60 und 70 Grad liegt.
0. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die magnetooptische Schicht (10) treffende Licht (16) eine zur Einfallsebene parallele Polarisation aufweist.
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