УСТРОЙСТВО ПРОВЕРКИ ПОДЛИННОСТИ БАНКНОТ, ЦЕННЫХ БУМАГ И ДОКУМЕНТОВ Российский патент 2011 года по МПК G07D7/00 B82B3/00 

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

Уровень техники

В настоящее время известно одно устройство проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами) [1], включающее источник оптического излучения накачки указанных NV-центров с длиной волны в диапазоне 500-550 нм, например, лазер на иттрий-алюминиевом гранате (неодимовый лазер) с преобразованием его излучения во вторую гармонику (532 нм), источник СВЧ электромагнитного излучения с частотой 2,87 ГГц и фотоприемное устройство, настроенное на длины волн в диапазоне 630-800 нм, способное анализировать спектральные и временные характеристики принимаемого сигнала люминесценции. Указанное устройство проверки [1] выбрано в качестве прототипа данного изобретения.

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

Раскрытие изобретения

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

Указанная цель достигается в данном изобретении за счет того, что в известном устройстве проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами), включает источник оптического излучения, источник СВЧ электромагнитного излучения и фотоприемное устройство, регистрирующее излучение в диапазоне длин волн 630-800 нм, при этом указанный источник оптического излучения представляет собой источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм и снабжен светофильтром, указанный источник СВЧ электромагнитного излучения снабжен антенной, излучающая часть которой помещена в зоне проверки подлинности, указанное фотоприемное устройство представляет собой оптическую систему для сбора флуоресценции с фильтром, пропускающим излучение указанной флуоресценции с длиной волны в диапазоне 630-800 нм и фотоприемник, размещенный в фокусе указанной оптической системы; и также дополнительно содержит: оптическую систему для направления указанного оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм в место на проверяемом объекте, соответствующее размещению метки подлинности на подлинном объекте, генератор задающей частоты модуляции СВЧ электромагнитного излучения, выход которого соединен с управляющим входом указанного источника СВЧ электромагнитного излучения, синхронный детектор, входы которого соединены соответственно с выходом указанного фотоприемника и с выходом указанного генератора задающей частоты модуляции амплитуды СВЧ электромагнитного излучения, контроллер, вход которого соединен с выходом указанного синхронного детектора, и подающий механизм, вход которого соединен с выходом указанного контроллера, обеспечивающий подачу объектов контроля в зону проверки подлинности и после указанной проверки распределяющий документы, подлинность которых подтверждена или не подтверждена, в соответствующие лотки.

Дополнительная особенность заявленного устройства состоит в том, что указанный источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм представляет собой неодимовый лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику 532 нм, снабженный фильтром, пропускающим излучение в указанном диапазоне частот и поглощающим излучения основной гармоники указанного неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм и полупроводникового лазера накачки с длиной волны 0,808 мкм.

Еще одна дополнительная особенность заявленного устройства состоит в том, что в качестве элемента оптической системы, направляющего оптического излучение с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, и фокусирующий это излучение на указанное место объекта проверки, и элемента оптической системы, непосредственно собирающего указанную флуоресценцию, используется один объектив, и при этом указанный светофильтр, пропускающий оптическое излучение накачки с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, представляет собой дихроичное зеркало для отражения зеленого цвета указанного оптического излучения накачки и направления его вдоль оси указанного объектива и пропускающее собранную указанным объективом флуоресценцию объекта проверки вдоль указанной оси.

Еще одна дополнительная особенность заявленного устройства состоит в том, что указанный источник СВЧ электромагнитного излучения обеспечивает излучение в полосе частот 2,869±0,15 ГГц, а указанная антенна выполнена на поликоровой подложке в форме полоскового волновода с разрывом, закороченным двумя проводниками, диаметром существенно меньшим ширины указанного волновода так, что оконечная часть указанного волновода представляет собой четвертьволновый участок, а указанный закороченный разрыв - непосредственно излучатель СВЧ указанной антенны, или указанная антенна выполнена в виде СВЧ-кабеля, закороченного петлей, представляющей собой непосредственно излучатель СВЧ указанной антенны. При этом указанный фотоприемник представляет собой лавинный фотодиод, снабженный усилителем.

Описания предлагаемого устройства и его работы

Предлагаемое устройство схематически изображено на Фиг.1, где:

1 - подающий механизм,

2 - зона проверки подлинности,

3 - источник оптического излучения накачки NV-центров (или источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм),

4 - светофильтр А,

5 - оптическая система подачи оптического излучения накачки NV-центров (или оптическая система для направления оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм в место на проверяемом объекте),

6 - светофильтр Б (или фильтр, пропускающим излучение флуоресценции с длиной волны в диапазоне 630-800 нм),

7 - оптическая система сбора флуоресценции,

8 - фотоприемник,

9 - усилитель,

10 - синхронный детектор,

11 - источник СВЧ электромагнитного излучения,

12 - антенна,

13 - генератор задающей частоты модуляции амплитуды СВЧ электромагнитного излучения,

14 - контроллер,

15 - лоток 1,

16 - лоток 2.

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

³А - основное состояние,

³E - возбужденное состояние,

¹А - метастабильное s-состояние,

На фиг.2 стрелками указаны излучательные и безызлучательные переходы между указанными подуровнями.

Для упрощения восприятия при качественном рассмотрении относительное расположение энергетических уровней на фиг.2 дано с нарушением масштаба.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Подающий механизм (1), выполненный, например, на фрикционном принципе подает объекты контроля в зону (2) проверки подлинности, например, банкноты, обеспечивая в этом случае скорость их перемещения по указанной зоне не менее 10 м/с, что требуется для скоростной проверки подлинности в системах массового контроля. При этом обеспечивается требуемая точность прохождения траектории места на объекте проверки, соответствующего расположению метки подлинности на подлинном объекте, по зоне проверки, например, за счет точности в соответствии размера объекта проверки размеру канала подачи указанного устройства.

Источник (3) оптического излучения накачки NV-центров - это источник с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, например, неодимовый лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику (532 нм). Излучение указанного источника оптического излучения накачки NV-центров через светофильтр А (4), пропускающий излучение зеленого цвета и, в случае применения неодимового лазера, поглощающий излучения его основной гармоники - 1,06 мкм и его полупроводникового лазера накачки - 0,808 мкм, с помощью оптической системы (5) подачи оптического излучения накачки NV-центров, например, фокусирующей линзы, подается в зону (2) проверки подлинности в место, в котором оказывается метка подлинности подлинного объекта проверки при его перемещении через зону проверки подлинности. С другой стороны к указанному месту подведен истоник (11) СВЧ электромагнитного излучения с антенной (12).

Под действием указанного излучения накачки происходят оптические переходы между основным уровнем ³А и возбужденным Е (Фиг.2) активных NV-центров, содержащихся в нанокристаллах алмаза метки подлинности. (См., например, [2]). Каждый из этих двух уровней расщеплен на три с проекцией спина на ось NV-центра m=0, 1 и -1. B слабом магнитном поле (поле Земли) подуровни m=±1 вырождены. Подуровень m=0 в основном состоянии отстоит от подуровней m=±1 на энергию кванта, соответствующего частоте 2,87 ГГц. Оптические переходы, вызывающие поглощение и связанные со спонтанным излучением, происходят с сохранением m. Коэффициенты поглощения одинаковы для всех переходов. При этом за поглощением оптического кванта только при переходе ³Am=0→³Em=0 с высокой вероятностью следует обратный переход со спонтанным излучением. При возбуждении же переходов ³Am=±1→³Em=±1 только часть NV-центров возвращает энергию в виде спонтанного излучения. Остальная часть передает энергию фононам решетки при безызлучательных переходах через промежуточный уровень ¹А, переводя в результате центры из состояния ³Am=±1 в состояние Am=0. Обратного процесса поглощение света не вызывает. Таким образом, оптическая накачка NV-центров приводит к тому, что часть их перекачивается на подуровень ³Am=0, вклад безызлучательного канала уменьшается и сигнал флуоресценции вырастает. При включении СВЧ-излучения, резонансного с переходом между подуровнями основного состояния происходит возврат части центров на уровни ³Am=±1, эти центры при поглощении света переводятся на уровни ³Em=±1, и снова часть энергии уходит по безызлучательному каналу. Мощность флуоресценции уменьшается. Регистрация наличия указанного уменьшения мощности флуоресценции и есть подтверждение подлинности объекта проверки.

Для регистрации указанного уменьшения, т.е. разницы между уровнем модуляции флуоресценции на частоте модуляции/амплитуды СВЧ-поля при прохождении метки подлинности под пучком указанного излучения накачки активных NV-центров и до и после ее прохождения, флуоресценция, испускаемая объектом проверки, собирается оптической системой (7) сбора флуоресценции со светофильтром Б (6), пропускающим флуоресценцию в области длин волн в диапазоне 630-800 нм. Указанная система (в простейшем случае - линза) направляет собранное излучение флуоресценции на вход фотоприемника (8), который может представлять собой, например, лавинный фотодиод, снабженный усилителем (9). В этом случае через усилитель (9) сигнал с указанного фотоприемника подается на сигнальный вход синхронного детектора (10). Выбор синхронного детектора обусловлен тем, что при тестировании подлинных объектов с метками на основе наноалмазов с активными NV-центрами имеет место двойной радио-оптический резонанс, при котором интенсивность флуоресценции, во-первых, зависит от оптической частоты излучения накачки (первый резонанс) и, во-вторых, от частоты СВЧ-излучения, резонансной переходу между подуровнями основного состояния активных NV-центров (второй резонанс). Возбуждение СВЧ-полем указанной резонансной частоты обеспечивается источником (11) и антенной (12). При этом отношение сигнала к шуму и, соответственно, надежность регистрации существенно увеличиваются, если за время воздействия на метку лазерного излучения накачки производить несколько циклов модуляции мощности указанного СВЧ-излучения. Модуляция обеспечивается генератором (13) задающей частоты модуляции амплитуды СВЧ электромагнитного излучения, один выход которого соединен с управляющим входом указанного источника СВЧ, а другой - со входом синхронного детектора (10) для опорного сигнала.

Сигнал с выхода синхронного детектора (10) поступает на вход контроллера (14), выход которого соединен с управляющим входом подающего механизма (1). Если в процессе проверки подлинности объекта сигнал с указанного синхронного детектора (10) превышает фон на установленную заранее величину, то объект проверки признается подлинным, и указанный контроллер вырабатывает командный сигнал для механизма подачи, соответствующий направлению данного объекта в лоток 1 для подлинных объектов (15), в противном случае - в лоток 2 для неподлинных объектов (16).

Нами экспериментально установлено, что в случае применения СВЧ электромагнитного излучения с полосой частот 2,869±0,15 ГГц эффект уменьшения флуоресценции больше, чем при применении резонансной частоты 2,87 ГГц той же мощности. Мы полагаем, что указанный эффект связан с тем, что энергетические уровни активных NV-центров уширяются, если вблизи их в нанокристаллах алмаза находятся N-центры. Причем чем больше концентрация последних, тем указанное уширение больше. Соответствующую полосу частот СВЧ-излучения обеспечивает источник (11) СВЧ электромагнитного излучения.

В случае применения в предлагаемом устройстве одного объектива с достаточно большой цифровой апертурой возможно использовать его и как элемент упомянутой оптической системы для направления оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм на указанное место объекта проверки и как элемент упомянутой оптической системы для сбора флуоресценции, непосредственно собирающий указанную флуоресценцию. В этом случае между указанным объективом и указанным источником оптического излучения накачки активных NV-центров установлено дихроичное зеркало. Указанное дихроичное зеркало, выполняя основную функцию светофильтра А, отражает лишь зеленый цвет указанного оптического излучения накачки, направляя его вдоль оси указанного объектива и в то же время пропускает собранную указанным объективом флуоресценцию объекта проверки вдоль указанной оси.

Пример реализации данного изобретения

Экспериментальный образец предложенного в данном изобретении устройства проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами, был разработан и опробирован в ООО «Новые энергетические технологии». Содержащую нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами метку подлинности с характерным размером 2 мм, нанесенную на банкноту 1000 рублей, помещали в зону проверки подлинности и подвергали воздействию потока лазерного излучения с длиной волны 532 нм (вторая гармоника излучения неодимового лазера LCS-DTL-318 производства Laser-Export Co. Ltd), мощностью 40 мВт и поперечным сечением около 10^-2 мм², в течение времени 100 мкс. В выходном излучении лазера, кроме второй гармоники, присутствует собственное излучение неодимового лазера (1,06 мкм) и проникает свет от диодных лазеров (830 нм). Для их подавления на выходе лазера был установлен фильтр, пропускающий излучение зеленого цвета. При этом к указанной метке подлинности с помощью антенны, выполненной на поликоровой подложке в форме полоскового волновода с разрывом, закороченным двумя проводниками, диаметром существенно меньшим ширины указанного волновода так, что оконечная часть указанного волновода представляет собой четвертьволновый участок, а указанный закороченный разрыв - непосредственно излучатель СВЧ указанной антенны, или виде СВЧ-кабеля, закороченного петлей, подводили СВЧ-излучение от генератора аналоговых сигналов Agilent E-8257 или малогабаритного генератора ZX-95-3100-S+в полосе частот 2,869±0,150 ГГц и мощностью около 1 Вт, амплитуду которого гармонически модулировали в разных случаях с частотой 40, 60, 80 и 100 кГц. Сигнал, модулирующий СВЧ-поле, задавался цифровым синхронным детектором (Stanford Research).

Сигнал флуоресценции метки в диапазоне длин волн 650-750 нм собирался объективом с большим рабочим отрезком типа Planohromat и через фильтр ОС-14 подавался на собирающую линзу, которая фокусировала флуоресценцию на вход лавинного фотодиода. После усиления сигнал поступал на вход синхронного детектора, опорным сигналом для которого служил гармонический сигнал указанного цифрового синхронного детектора, модулирующий СВЧ-поле. При этом выбирали оптимальный сдвиг фазы указанного гармонического сигнала относительно фазы модуляции СВЧ-излучения. Во всех случаях регистрировался сигнал, как минимум, на порядок величины превосходящий фоновый сигнал, получаемый при выключенном СВЧ-генераторе.

При этом уровень сигнала с синхронного детектора, свидетельствующий о наличии на банкноте указанной метки подлинности, возрастал при расширении полосы частот СВЧ-излучения вплоть до ±0,15 ГГц.

Таким образом, описанная выше опытная проверка работоспособности экспериментального образца предлагаемого устройства подтвердила возможность его реализации с получением положительного эффекта - уверенным обнаружением метки подлинности банкнот, ценных бумаг или документов, содержащей нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами, т.е. установлением подлинности указанных объектов проверки.

Литература

1. Патент РФ RU 2357866.

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

Изобретение относится к области защиты банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами), и может быть использовано для проверки подлинности указанных объектов, в том числе, в системах их массового автоматизированного контроля. Технический результат заключается в повышении достоверности проверки подлинности. Устройство содержит источник СВЧ электромагнитного излучения, снабженный полосковой антенной с разрывом, излучающей в месте прохождения метки подлинности объекта проверки через зону проверки, а для измерения изменения флуоресценции объекта контроля под действием СВЧ-излучения устройство содержит синхронный детектор, задающий сигнал, модулирующий СВЧ-поле. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами), включающее источник оптического излучения, источник СВЧ электромагнитного излучения и фотоприемное устройство, регистрирующее излучение в диапазоне 630-800 нм, отличающееся тем, что указанный источник оптического излучения представляет собой источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм и снабжен светофильтром, указанный источник СВЧ электромагнитного излучения снабжен антенной, излучающая часть которой помещена в зоне проверки подлинности, указанное фотоприемное устройство представляет собой оптическую систему для сбора флуоресценции с фильтром, пропускающим излучение указанной флуоресценции с длиной волны в диапазоне 630-800 нм, и фотоприемник, размещенный в фокусе указанной оптической системы; а также дополнительно содержит: оптическую систему для направления указанного оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм в место на проверяемом объекте, соответствующее размещению метки подлинности на подлинном объекте, генератор задающей частоты модуляции СВЧ электромагнитного излучения, выход которого соединен с управляющим входом указанного источника СВЧ электромагнитного излучения, синхронный детектор, входы которого соединены соответственно с выходом указанного фотоприемника и с выходом указанного генератора задающей частоты модуляции амплитуды СВЧ электромагнитного излучения; контроллер, вход которого соединен с выходом указанного синхронного детектора, и подающий механизм, вход которого соединен с выходом указанного контроллера, обеспечивающий подачу объектов контроля в зону проверки подлинности и после указанной проверки распределяющий документы, подлинность которых подтверждена или не подтверждена, в соответствующие лотки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный источник оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм представляет собой неодимовый лазер с преобразованием излучения во вторую гармонику 532 нм, снабженный фильтром, пропускающим излучение в указанном диапазоне частот и поглощающим излучения основной гармоники указанного неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм и полупроводникового лазера накачки с длиной волны 0,808 мкм.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве элемента оптической системы для направления оптического излучения с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, фокусирующего излучение на указанное место объекта проверки, и элемента оптической системы для сбора флуоресценции, непосредственно собирающего указанную флуоресценцию, используют один объектив, и при этом указанный светофильтр, пропускающий оптическое излучение накачки с длиной волны в диапазоне 500-600 нм, представляет собой дихроичное зеркало для отражения зеленого цвета указанного оптического излучения накачки и направления его вдоль оси указанного объектива, пропускающее собранную указанным объективом флуоресценцию объекта проверки вдоль указанной оси.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник СВЧ электромагнитного излучения обеспечивает излучение в полосе частот 2,869±0,15 ГГц.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная антенна выполнена на поликоровой подложке в форме полоскового волновода с разрывом, закороченным двумя проводниками, диаметром существенно меньшим ширины указанного волновода так, что оконечная часть указанного волновода представляет собой четвертьволновый участок, а указанный закороченный разрыв - непосредственно излучатель СВЧ указанной антенны.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная антенна выполнена в виде СВЧ кабеля, закороченного петлей, представляющей собой непосредственно излучатель СВЧ указанной антенны.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный фотоприемник представляет собой лавинный фотодиод, снабженный усилителем.