用于鑒定標(biāo)記的方法、設(shè)備以及安全系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：用于鑒定標(biāo)記的方法、設(shè)備以及安全系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于安全標(biāo)記以及攜帶這種安全標(biāo)記的文檔或產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)域，這種安全標(biāo)記是利用墨水或涂料組分或散裝材料制作的。本發(fā)明涉及一種使用所述墨水、涂料組分或產(chǎn)品內(nèi)所包含的某種發(fā)光顏料的特性的新穎方法。具體地說，本發(fā)明涉及使用某種發(fā)光材料和發(fā)光化合物的余輝發(fā)光特性的方法和設(shè)備，并提出一種用于標(biāo)記和鑒定對象的安全系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)光材料是安全墨水或涂料的傳統(tǒng)組分中的一種。它們將給定波長的激發(fā)輻射的能量轉(zhuǎn)換為另一波長的發(fā)射光。所使用的光發(fā)射可以在電磁頻譜的UV范圍(低于400nm)、可見光范圍(400-700nm)或靠近紅外范圍中部(700-2500nm)。某種發(fā)光材料可以同時發(fā)出一種以上波長的光。大多數(shù)發(fā)光材料不止在一個波長可以被激發(fā)。
如果發(fā)射輻射的波長比激發(fā)輻射的波長長，則稱為“斯托克斯”或“下變換”發(fā)光。如果發(fā)射輻射的波長比激發(fā)輻射的波長短，則可以稱為“反斯托克斯”或“上變換”發(fā)光。
發(fā)光有兩種類型熒光或磷光。熒光是受到激發(fā)后的即時發(fā)光，而磷光是激發(fā)停止后可觀察到的延時發(fā)光。磷光還被稱為余輝，它的特征在于發(fā)光強度隨時間衰減；根據(jù)材料的不同，相應(yīng)的余輝壽命從納秒到幾個小時不等。
發(fā)光材料可以是有機的或無機的。有機材料的例子有花青類分子以及香豆素、若丹明等。無機材料的例子有銅或銀摻雜的硫化鋅、稀土摻雜釔鋁石榴石或釩酸釔等。在有機金屬化合物中還可以發(fā)現(xiàn)另一種發(fā)光材料，例如硅酞花青、稀土β二酮等。
在墨水或涂料內(nèi)，發(fā)光材料或者用作顏料或者用作可溶材料。最新的發(fā)展使得可以使用膠體形式的熒光顏料。特定應(yīng)用還取決于通過進行聚合、共聚或?qū)l(fā)光分子融合到聚合物鏈內(nèi)或接合到聚合物鏈上獲得的發(fā)光聚合物。所有這些化合物類型和應(yīng)用形式均已用于安全組分和安全用途?？梢灾圃煜鄳?yīng)的檢測設(shè)備對即時發(fā)光(熒光)或延時發(fā)光(磷光)進行識別。
US3,473,027涉及有機和無機稀土化合物在諸如商品識別和標(biāo)識、人員識別、通過車輛的識別和記錄、機讀信息、ZIP代碼、發(fā)票、標(biāo)簽等應(yīng)用中作為可見和IR發(fā)光標(biāo)記普通用途。該專利還進一步對用于識別不同細線發(fā)光響應(yīng)的“分光鏡檢測器”進行了說明。
US3,412,245將發(fā)光的衰減時間特性添加到編碼因素上。這樣就可以將衰減時間在毫秒級的基于稀土的發(fā)光與更快速衰減的有機發(fā)光材料區(qū)別開。該區(qū)別是通過利用正弦調(diào)制或脈沖調(diào)制的UV光源，采用可變調(diào)制或脈沖頻率進行激發(fā)，結(jié)合不同發(fā)射波長的頻譜分離實現(xiàn)的。
US3,582,623和US3,663,813表明了用于發(fā)光器件的分光鏡檢測設(shè)備未來的發(fā)展趨勢。
US3,650,400敘述了脈動光源結(jié)合以脈動頻率進行同步檢測(“同步”原理)來抑制環(huán)境光的干擾的用途。利用這種方法，檢測器僅對發(fā)光的正常響應(yīng)敏感。取決于對材料調(diào)制傳遞函數(shù)的確定的現(xiàn)有技術(shù)方法的主要缺陷在于其固有慢速。因為這些原因，所以它們通常不能用于高速鑒定機器上。
US4,047,033對用于安全用途的上變換發(fā)光材料的使用以及相應(yīng)的檢測設(shè)備進行了說明。檢測過程依賴于利用在950nm波長以持續(xù)或脈沖方式發(fā)光的GaAs IR-LED的激發(fā)過程以及光輻射的分光鏡識別過程。為了對發(fā)光響應(yīng)的特征上升和衰減時間進行評估，通過測量脈沖脈沖的相移，參考間接裝置。然而，這種方法非常容易受到發(fā)光強度變化的影響，因此實際上不容易實現(xiàn)。
適于進行高速鑒定的另一種現(xiàn)有技術(shù)方法依賴于傳輸帶上移動的測試樣本的脈沖激發(fā)。在通過UV激發(fā)源后，激發(fā)的光線強度根據(jù)材料的固有衰減特性衰減。沿傳輸帶以距UV源確定距離設(shè)置的一個或幾個光檢測器用于估算所述衰減特性的特定點。這種方法的主要缺陷在于，它局限于其特性發(fā)光衰減時間在50毫秒數(shù)量級的磷光材料。此局限性是檢測過程中機械制約(傳輸帶速度)的后果。
本發(fā)明目的是提供一種可以克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的方法、設(shè)備和安全系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明允許對發(fā)光衰減特性進行快速采樣，因此本發(fā)明適于高速機讀應(yīng)用。不僅如此，本發(fā)明還使得上變換磷光材料和下變換磷光材料可以在衰減時間從零點幾毫秒到10毫秒或者更長的范圍內(nèi)選擇。本發(fā)明的另一個特定目的是，通過對因為發(fā)光標(biāo)記本身(老化、污染)或測量設(shè)備的變化可能引起的發(fā)光強度的變化進行補償使得鑒定過程更可靠。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的主要是通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的、用于鑒定發(fā)光試樣標(biāo)記的方法、設(shè)備以及安全系統(tǒng)來實現(xiàn)的。本發(fā)明基于檢測材料的與時間有關(guān)的光發(fā)射函數(shù)與基準(zhǔn)材料的與時間有關(guān)的發(fā)光發(fā)射函數(shù)的比較結(jié)果。因此，根據(jù)本發(fā)明，曲線形狀用作鑒定特性，而非將一次測量的強度值用作鑒定特性。以歸一化方式對所述發(fā)射函數(shù)進行比較。在這樣做時，該比較過程在很大程度上與因為老化、變化或污染引起的強度變化無關(guān)。
本發(fā)明還依賴于在脈沖激發(fā)之后試樣標(biāo)記隨時間變化的光發(fā)射函數(shù)的直接估算。利用任何一種強脈沖輻射源(例如發(fā)光二極管、激光二極管、Q開關(guān)激光器以及利用非線性光學(xué)器件獲得的光源)以及X射線脈沖或離子束，尤其是脈沖電子束均可以激發(fā)發(fā)光。在利用適當(dāng)激發(fā)脈沖，優(yōu)先利用適當(dāng)波長、脈寬的光脈沖激發(fā)之后，發(fā)光材料以第二波長的發(fā)射輻射的形式發(fā)射部分吸收的能量。在某些情況下，幾乎是立即出現(xiàn)所述發(fā)射輻射，并且在激發(fā)停止時，發(fā)射輻射也停止。在其它情況下，發(fā)射是延時的，并且發(fā)射輻射的強度或者滿足簡單指數(shù)型衰減定律，或者滿足復(fù)雜雙曲面形定律，發(fā)射輻射的強度甚或顯示出表示復(fù)雜內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移過程和競爭衰減機制的上升和衰減特性。然而，在所有情況下，在停止外部激發(fā)后，作為時間函數(shù)的發(fā)射強度僅依賴于發(fā)光材料本身，因此它被用作指出存在所述特定材料的鑒定特性。即使例如因為材料老化或污染降低了絕對發(fā)光強度，但是發(fā)射時間函數(shù)的形狀保持不變，因為它是熒光成分特有的。
在本發(fā)明中，衰減或衰減曲線都表示試樣及其基準(zhǔn)的任何特定強度時間函數(shù)。這種強度時間函數(shù)表示因為激發(fā)脈沖產(chǎn)生的光發(fā)射強度的測量響應(yīng)。術(shù)語“激發(fā)源”還適用于其波長在200nm至2’500nm之間、包括UV光、可見光以及短波(非熱)IR光的電磁源。所述定義還可以包括采用例如X射線或電子束脈沖進行激發(fā)的其它方法。
在執(zhí)行上述方法和使用鑒定設(shè)備的過程中，以適當(dāng)時間間隔采樣試樣的發(fā)射強度并存儲到模擬存儲器內(nèi)，例如利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)進行數(shù)字化并存儲到數(shù)字存儲器內(nèi)。
利用同樣的儀器結(jié)構(gòu)和過程在基準(zhǔn)樣本上獲取的、作為時間函數(shù)的光發(fā)射基準(zhǔn)曲線也存儲到數(shù)字存儲器內(nèi)，并提供該光發(fā)射基準(zhǔn)曲線用于進行比較和鑒定。
通過將其發(fā)光衰減曲線與存儲的基準(zhǔn)樣本衰減曲線進行逐點比較，對測試的試樣進行鑒定。
以歸一化形式對試樣與基準(zhǔn)的發(fā)射函數(shù)進行比較。歸一化意味著以這樣的方式對兩個發(fā)射函數(shù)的強度值按一定比例處理，使兩條衰減曲線的最高值相同。
如果試樣衰減曲線與相應(yīng)基準(zhǔn)衰減曲線的所述比較在可確定的公差范圍內(nèi)相同，則提供一致信號以確認(rèn)此試樣。相反，則認(rèn)為非一致。一致信號或非一致信號可以是電信號、光信號、聲信號或其它信號中之任一種。
所述可確定公差可以基于逐點方式，即將每個試樣曲線點與其相應(yīng)基準(zhǔn)曲線點進行比較，并且必須位于距離該基準(zhǔn)曲線點的絕對范圍(例如+50/-30)、相對范圍(例如±20％)或單獨定義范圍內(nèi)。基于逐點方式，只有所有點都位于其相應(yīng)公差范圍內(nèi)，才可以接受該試樣。
另一方面，還可以應(yīng)用總公差判據(jù)，即對所有點計算相應(yīng)試樣強度與基準(zhǔn)強度的單獨差值，或其某個簡便函數(shù)，例如平方值或絕對值等的和，并根據(jù)所述總公差判據(jù)校驗獲得的和。
本發(fā)明方法的優(yōu)勢在于可以應(yīng)用于任何類型的發(fā)光衰減特性，不管是指數(shù)的，還是非指數(shù)的。該方法特別可以應(yīng)用于在具有不同衰減特性環(huán)境下，具有相同特定發(fā)光中心的各發(fā)光材料混合物的鑒定。例如，以這種方式可以對YVO4Eu和Y2O2SE的混合物與其單一成分進行識別。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以這樣執(zhí)行，即“一次沖擊”測量，即先施加一個激發(fā)光脈沖，然后采集持續(xù)毫秒級的作為時間函數(shù)的相應(yīng)發(fā)光響應(yīng)，就足以采集試樣的全部發(fā)光衰減信息，并將它與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較。因此，可以確保對快速移動的樣本進行高速操作。
然而，在弱發(fā)光情況下，即在信噪比(S/N)不夠高的情況下，也可以重復(fù)測量若干次，并逐點計算一次以上所述“沖擊”結(jié)果的平均值以改善S/N，從而獲得具有較高統(tǒng)計精度的理想衰減曲線信息。
本發(fā)明方法的另一個優(yōu)勢在于，它不需要模型，即發(fā)光衰減曲線本身，而非將由其獲得的參數(shù)用作鑒定特征。獲取參數(shù)的過程總是依賴于物理模型，而在沒有模型情況下，不能應(yīng)用獲取參數(shù)的過程。因此，不需要模型的方法比依賴模型的方法具有更大的應(yīng)用范圍。
可以與用于發(fā)光響應(yīng)頻譜識別的其它現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合使用根據(jù)本發(fā)明的方法。具體地說，可以結(jié)合頻譜濾光器、波長色散元件、光柵或?qū)е虏ㄩL選擇的其它光學(xué)儀器使用該方法。
為了提高光檢測鏈的信噪比，還可以使用光采集光學(xué)器件。
為了同時檢測混合發(fā)光，或者為了同時檢測以不止一個波長發(fā)射的光，設(shè)置不止一個檢測通道。同時檢測以不止一個波長發(fā)射的光常見于基于稀土離子的發(fā)光材料的情況。因此，對不同檢測通道提供適當(dāng)波長的選擇器，對應(yīng)的強度時間數(shù)據(jù)也單獨進行采樣并存儲。
在特定實施例中，檢測通道是微型分光計單元，包括波長色散器(例如棱鏡、光柵或線性可變?yōu)V光器)和陣列光檢測器。陣列光檢測器可以是直線式光電二極管陣列或直線式CCD(電荷耦合器件)陣列。為了確保高操作速度，可以利用改變的二維CCD矩陣式陣列代替直線式CCD陣列。
在CCD矩陣式陣列中，將通過曝光硅芯片產(chǎn)生的光致載流子圖像幀逐行“垂直”移位到芯片邊緣，然后“水平”移位各行并逐像素讀出。并行進行此移位過程，并且可以快速處理大量數(shù)據(jù)(對于“水平”的像素到像素移位，256×256CCD陣列的通常速度高達40MHz，對于“垂直”的行到行移位，其通常速度高達4MHz)。
以這樣的方式布局所述改變的CCD矩陣式陣列，即第一行像素作為所述波長色散器產(chǎn)生頻譜的光檢測器陣列。避免后續(xù)行像素受到光的干擾，并將后續(xù)行像素用作中間大容量存儲設(shè)備。在激發(fā)脈沖之后，利用快速“垂直”行到行的移位過程采集隨時間變化的頻譜信息，并將它們存儲到CCD的避光區(qū)內(nèi)，以備儀器處理器隨后讀出。
為了獲得用于檢測具有不同激發(fā)波長的光的硬件靈活性，可以提供不止一個激發(fā)源。發(fā)光二極管(LED)特別適于照亮約50nm帶寬的頻譜范圍。設(shè)置一組不同LED可以以覆蓋感興趣的更大頻譜區(qū)?？梢岳迷搩x器的微處理器控制多LED光源，使得僅通過編程就可以執(zhí)行激發(fā)波長的選擇。
特別感興趣的是，將所述多LED光源與所述微型分光檢測器單元組合在一起以獲得通用發(fā)光/衰減時間檢測器模塊。
根據(jù)本發(fā)明，完全可以使用同一個設(shè)備來定義基準(zhǔn)衰減曲線和鑒定未知樣本。該設(shè)備可以以“學(xué)習(xí)模式”運行，其中從基準(zhǔn)樣本獲得基準(zhǔn)衰減曲線(基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù))，并對該基準(zhǔn)衰減曲線進行適當(dāng)處理，然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲到存儲器內(nèi)。該設(shè)備還可以以“測試模式”運行，其中獲取攜帶待鑒定標(biāo)記的試樣的發(fā)光衰減曲線(試樣強度時間發(fā)射函數(shù))，對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行適當(dāng)處理并與先前存儲的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較，以獲得一致/非一致指示。因此，同一個設(shè)備可以在“學(xué)習(xí)模式”下運行以將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲到存儲器內(nèi)，然后以“測試模式”運行以測試試樣。該設(shè)備還可以包括不止一個存儲段以提供用于不同標(biāo)記鑒定的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
然而，不必在同一個物理單元或設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)所述“學(xué)習(xí)模式”和所述“測試模式”。在一種可選實施例中，第一設(shè)備專門用于由基準(zhǔn)采樣獲取/定義基準(zhǔn)衰減曲線。然后，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送到專門用于鑒定試樣樣本的類似的第二設(shè)備的存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備可以用于鑒定包括適當(dāng)發(fā)光材料的墨水和/或涂料組分以及諸如安全物品的物品或利用所述墨水和/或涂料組分獲得的噴涂物品。
此外，所述方法和設(shè)備還可以用于鑒定適當(dāng)?shù)陌l(fā)光散裝材料，例如用于制造諸如紙幣、安全文檔、身份證、信用卡、安全線、標(biāo)簽以及其它安全物品的紙或塑料。
根據(jù)上述方法，通過提供一組包括具有類似頻譜發(fā)射(即發(fā)射色彩)，但是具有不同隨時間變化的發(fā)射函數(shù)的發(fā)光材料和/或發(fā)光混合物的基準(zhǔn)樣本可以實現(xiàn)一種安全系統(tǒng)。利用根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備，例如，通過將一種或多種基準(zhǔn)樣本引入對象上的標(biāo)記內(nèi)進行鑒定，可以識別所述基準(zhǔn)樣本，。
附圖簡述利用以下描述的附圖所示安全系統(tǒng)和鑒定設(shè)備的實施例對本發(fā)明做進一步說明。


圖1示出本發(fā)明使用的上變換磷光材料的發(fā)射頻譜，圖2示出用于構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的安全系統(tǒng)的4個不同上變換發(fā)光磷光材料的發(fā)光衰減曲線，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的鑒定設(shè)備的第一實施例的方框圖，圖4示出根據(jù)本發(fā)明用于鑒定用途的典型發(fā)光強度/時間特性，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的檢測設(shè)備的變換實施例的原理框圖，圖6示出根據(jù)本發(fā)明的檢測設(shè)備的更復(fù)雜實施例的原理圖，圖7示出鐠(3+)離子的能級，圖8示出安裝在直線式光電二極管陣列上的聚焦光柵型微型分光計，圖9a示出二維CCD陣列的讀出原理，圖9b示出CCD陣列內(nèi)數(shù)據(jù)移位原理。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明的安全系統(tǒng)包括基于微處理器的鑒定設(shè)備，如圖3示出的原理圖所示。
作為標(biāo)記內(nèi)的發(fā)光化合物類的代表，選擇4種不同性質(zhì)的基于鉺的上變換磷光材料Gd2O2SEr，Yb；Y2O2SEr，Yb；BaY2F8Er，Yb；NaYF4Er，Yb。在利用950或980nm的光源進行輻射后，它們均發(fā)射接近550nm的綠光(如圖1所示)。然而，對于這4種材料，綠光色磷光發(fā)射的壽命大不一樣，如圖2所示。
如圖3所示，鑒定設(shè)備包括例如利用模擬設(shè)備的AduC812微變換器TM實現(xiàn)的微控制器或處理器1。AduC812芯片包括16MHz8052微處理器(CPU)1a，具有32條數(shù)字I/O線；5μs12位模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器1b；數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器；集成RAM(256字節(jié))；以及EE/閃速存儲器(Mem)或存儲設(shè)備1c，用于存儲程序(8k)和存儲數(shù)據(jù)(640字節(jié))。EE/閃速存儲器(Mem)1c是電可擦除永久性存儲器并可以實現(xiàn)“學(xué)習(xí)模式”。在該實例中，AduC812芯片的內(nèi)存與32K的外部隨機存取存儲器(RAM)或存儲設(shè)備1d配合。
鑒定設(shè)備進一步含有激光電流驅(qū)動器2，受控于AduC812；980nm波長脈沖激光二極管(LD)，作為激發(fā)源3，具有準(zhǔn)直光學(xué)器件3a；以及基于對綠光敏感的市售GaAsP光電二極管(PD)4、可選濾光器4a、以及相應(yīng)放大器5的光檢測鏈。以這樣的方式布局光檢測鏈4、5，即保證對應(yīng)于AduC812的5μs采樣率具有200KHz的最小帶寬；將其輸出連接到AduC812的A/D轉(zhuǎn)換器1b。還將AduC812連接到模式轉(zhuǎn)換器SLT，用于選擇學(xué)習(xí)/測試模式L/T；還連接到按鈕B，用于啟動測量周期；以及連接到黃、綠和紅LED8a、8b以及8c，用于指示On/Off和認(rèn)可/失敗(Yes/No)狀態(tài)。按鈕B接通電路主電源Vcc。提供處理器控制的電源保持開關(guān)9從而使控制器保持自身電源以完成測量周期并在良好狀態(tài)下自己斷開。
在“學(xué)習(xí)模式”L，獲得基準(zhǔn)衰減曲線或基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)。將基準(zhǔn)樣本7-R放置在低于準(zhǔn)直光學(xué)器件3a和濾光器4a的位置。將SLT開關(guān)設(shè)置到“學(xué)習(xí)模式”后，按下按鈕B，對檢測單元供電。受控于微處理器1，激發(fā)源3的激光二極管被作用一個來自激光電流驅(qū)動器2的短電流脈沖(通常是200μs期間的1A)。980nm激光激發(fā)脈沖P被準(zhǔn)直光學(xué)器件3a聚焦到基準(zhǔn)樣本7-R的發(fā)光基準(zhǔn)標(biāo)記M-R上。光電二極管4檢測550nm的相應(yīng)發(fā)光響應(yīng)(發(fā)射輻射E)。光電二極管發(fā)出的信號進入放大器5，并從放大器5進入A/D轉(zhuǎn)換器1b。在對激光二極管施加脈沖后，微處理器1啟動直接存儲器訪問(DMA)數(shù)據(jù)采集過程。在此過程中，A/D轉(zhuǎn)換器1b以規(guī)則時間間隔(例如每5μs)采樣光檢測鏈4、5的信號，并存儲到外部存儲設(shè)備1d的后續(xù)存儲位置。根據(jù)先前結(jié)果，微處理器的程序預(yù)設(shè)所要采取的采樣時間和采樣個數(shù)。采樣結(jié)束后，對存儲設(shè)備1d內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析、處理、壓縮到定義基準(zhǔn)值VR1至VR64的64個數(shù)據(jù)點(參考圖4)，并將它們存儲到微轉(zhuǎn)換器的永久性存儲設(shè)備1c。還對基準(zhǔn)值VR1至VR64表示的函數(shù)進行歸一化，即根據(jù)函數(shù)的最高值按比例縮放基準(zhǔn)值VR1至VR64。因此，VR1至VR64與影響熒光發(fā)射的總體強度變化無關(guān)。圖4示出此基準(zhǔn)曲線的可能形式，此基準(zhǔn)曲線保持了相應(yīng)時間點(t1、t2、t3、...)的一系列基準(zhǔn)值(VR1、VR2、VR3、...)。VRn值可以可選地與公差(Δ+、Δ-)關(guān)聯(lián)。
利用綠色“Yes”指示符8b確認(rèn)成功終止了此過程。成功終止此過程后的幾秒鐘后，微處理器利用電源開關(guān)9斷開檢測單元。
在“測試模式”T，獲得試樣衰減曲線，并將它與先前存儲的基準(zhǔn)曲線進行比較。根據(jù)圖3，將包括試樣標(biāo)記M-P的試樣樣本7-P放置在正確采樣位置。將SLT開關(guān)設(shè)置到“測試模式”T后，按下觸發(fā)按鈕B，接通鑒定設(shè)備。執(zhí)行與針對“學(xué)習(xí)模式”描述的操作過程非常類似的操作過程，直到測量發(fā)光衰減數(shù)據(jù)被處理并被壓縮為64個數(shù)據(jù)點。還對這樣獲得的數(shù)據(jù)VP1至VP64進行歸一化處理，并與先前存儲的基準(zhǔn)值VR1-VR64進行比較。為了將表示試樣標(biāo)記M-P的衰減曲線的數(shù)據(jù)與表示基準(zhǔn)標(biāo)記M-R的衰減曲線的數(shù)據(jù)進行比較，在我們的實施例中，將相應(yīng)數(shù)據(jù)點相減，對于全部64個數(shù)據(jù)點，將各差值的絕對值相加。如果此和的值小于一個可選判據(jù)，則作為“好”接受測試樣本，并激活綠“Yes”LED8b。如果所述和的值超過所述判據(jù)，則作為“壞”拒絕測試采樣，并激活紅“No”LED8c。在終止此操作幾秒后，微處理器通過電源開關(guān)9斷開檢測單元。
基準(zhǔn)樣本7-R或采樣試樣7-P的發(fā)射強度可能在大測量范圍內(nèi)變化。發(fā)光材料老化，或基準(zhǔn)標(biāo)記M-R或試樣標(biāo)記M-P的表面發(fā)生變化是常見的原因，例如，如果將標(biāo)記噴涂到諸如紙幣或產(chǎn)品標(biāo)簽的物品7上，則所述紙幣或標(biāo)簽的表面或變臟或被劃傷。這樣會顯著降低發(fā)光材料的激發(fā)強度，并且還會降低這種標(biāo)記的發(fā)射輻射的強度。具體地說，基準(zhǔn)樣本7-R的發(fā)射輻射E的絕對值比試樣樣本7-P的發(fā)射輻射E的絕對值大。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法依賴于對衰減曲線形式的比較，而非依賴于單個絕對強度值。
在根據(jù)其在t1與tn之間的最高值對這兩條曲線進行歸一化處理后，對于含有相同發(fā)光材料的樣本，即使發(fā)光材料具有不同的密度，仍可以獲得兩條相同的曲線。通過應(yīng)用對歸一化曲線比較的一般原理，鑒定過程就不會受到導(dǎo)致強度或測量偏差的各種因素的影響。
用于定義試樣曲線CP和基準(zhǔn)曲線CR所取的單獨數(shù)據(jù)點VP1至VPn和VR1至VPn的數(shù)量可以變化很大。通常數(shù)量越大可以越準(zhǔn)確地定義曲線。
就實際應(yīng)用來說，32到128之間，最好是64就足夠了。
在獲得RAM 1d或永久性存儲設(shè)備1c內(nèi)的基準(zhǔn)值VR1至VR后，可以將此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值VR1至VRn傳送到其它鑒定設(shè)備。
同樣，每個鑒定設(shè)備均有多個存儲段用于存儲多個不同標(biāo)記M的基準(zhǔn)值VR1至VRn。通常，可以以任何方式提供用于進行比較的基準(zhǔn)值VR，即可以由作為加密存儲器或數(shù)據(jù)附件的內(nèi)部或外部存儲器、存儲卡、有線傳輸或無線傳輸，或任何其它適當(dāng)方式提供電子數(shù)據(jù)。
對AduC812中央處理單元1a進行編程，以在按下按鈕B后執(zhí)行上述操作。它們主要包括如下程序功能塊在測量周期，通過將開關(guān)9設(shè)置為接通，保證電源自主，讀學(xué)習(xí)/測試模式開關(guān)SLT，如果為學(xué)習(xí)模式L，則對DMA數(shù)據(jù)采集過程準(zhǔn)備外部存儲器，對激光二極管施加脈沖，將DMA模式的預(yù)定數(shù)量的光響應(yīng)采樣采集到存儲設(shè)備1d內(nèi)，在后處理采樣數(shù)據(jù)并將其壓縮為優(yōu)化形式64個數(shù)據(jù)點，將包括壓縮指示符在內(nèi)的壓縮、歸一化數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)存儲到AduC812的內(nèi)部永久性數(shù)據(jù)EE/閃速存儲設(shè)備1c內(nèi)，如果為測試模式T，則對DMA數(shù)據(jù)采集過程準(zhǔn)備外部存儲器，對激光二極管施加脈沖，將DMA模式的預(yù)定數(shù)量的光響應(yīng)樣本采集到存儲設(shè)備1d內(nèi)，在后處理采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)先前存儲的壓縮指示符，將它壓縮為64個歸一化數(shù)據(jù)點，將壓縮、歸一化數(shù)據(jù)與先前存儲在存儲設(shè)備1c內(nèi)的歸一化基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較，并獲得一致/非一致指示符，相應(yīng)設(shè)置認(rèn)可/失敗指示燈LED，以顯示此結(jié)果，在等待預(yù)定長度時間后，通過開關(guān)9斷開電源。
在圖5所示根據(jù)本發(fā)明鑒定設(shè)備的變換實施例中，提供了用于發(fā)射不同波長的激發(fā)脈沖P、具有準(zhǔn)直光學(xué)器件31a和32a以及相應(yīng)脈沖驅(qū)動器21和22的兩個激發(fā)光源31和32。還提供用于兩個不同波長的兩個檢測單元，包括準(zhǔn)直光學(xué)器件41b和42b、濾光器41a和42a、光檢測器41和42、放大器51和52。以這樣的方式設(shè)置各光學(xué)元件，使所有光軸均交叉在試樣樣本7-P上的一個觀測點。載有試樣標(biāo)記M-P的所述試樣樣本7-P被傳輸通過鑒定設(shè)備。根據(jù)待檢測的特性，處理器1將電流脈沖發(fā)送到光源31或光源32，或者發(fā)送到它們二者。根據(jù)待檢測的發(fā)射，使用光檢測器41和/或光檢測器42。
例如，可以將該設(shè)備設(shè)計為檢測基于鉺的上變換材料，利用激發(fā)源31以980nm光激發(fā)該上變換材料時，該上變換材料發(fā)射550nm的綠光，光檢測器41檢測550nm的綠光，同時利用光源32以370nm的光激發(fā)包含在試樣標(biāo)記M-P內(nèi)的銪發(fā)光材料，銪發(fā)光材料發(fā)射的接近610nm的光被光檢測器42檢測。要求存在兩種發(fā)光材料以確認(rèn)試樣標(biāo)記M-P的鑒定過程。在其它方面，根據(jù)此特定實施例的鑒定設(shè)備的工作原理與第一實施例的工作原理相同。
在另一個特定實施例中，鑒定設(shè)備用于檢測基于鐠的上變換材料，利用1014nm的第一激光和850nm的第二激光同時激發(fā)此上變換材料，該上變換材料隨后發(fā)射約600nm的紅光(如圖7所示)。在此實施例中，同步運行的激發(fā)源31和32產(chǎn)生激發(fā)脈沖P。使光檢測器41監(jiān)測600nm的發(fā)射。還存在鐠下變換發(fā)射，第二光檢測器42用于監(jiān)測1310nm的鐠下變換發(fā)射。根據(jù)要求的復(fù)雜度和試樣標(biāo)記M-P的發(fā)光特性，甚至可以引入更多的激發(fā)光源和/或光檢測器。
在如圖6所示根據(jù)本發(fā)明鑒定設(shè)備的又一個更復(fù)雜實施例中，采用多個LED或LD激發(fā)源的組合；聚焦光柵型微型分光計4a’，包括光波導(dǎo)管；二維CCD陣列4b’，作為光檢測器/采集設(shè)備；以及處理器1，用于控制數(shù)據(jù)的采集、存儲以及計算過程。
激發(fā)源3優(yōu)選包括一系列發(fā)光二極管31、32、33、...、3n，這些發(fā)光二極的發(fā)射波長覆蓋光譜的UV、可見光以及接近紅外光部分。具體地說，已經(jīng)證明可以采用市售的一組以370nm(UV)、470nm(藍色)、525nm(綠松石)、570nm(綠色)、590nm(黃色)、610nm(橙黃色)、660nm(紅色)、700nm(黑色)、740nm(IR)、770nm(IR)、810nm(IR)、870nm(IR)、905nm(IR)以及950nm(IR)發(fā)光的LED?？梢詫⑦@些LED設(shè)置在用戶方便的位置，但是優(yōu)先以圍繞微型分光計的光波導(dǎo)管的圓形排列。
聚焦光柵型微型分光計4a’是根據(jù)圖8的設(shè)備。利用作為點光源的光纖或光波導(dǎo)管，將試樣過程發(fā)出的光耦合到分光計的焦面，以照亮自聚焦反射光柵。自聚焦反射光柵將該光反射到直線式光檢測器陣列，以將包括在所述光內(nèi)的不同波長分量分散到所述陣列的相鄰像素。因此，通過讀出光檢測器陣列的各像素可以獲得此試樣過程發(fā)出的光譜。
為了快速采集隨時間變化的光譜信息，使用二維電荷耦合器件(CCD)陣列4b’。這種CCD陣列包括二維感光像素區(qū)，利用圖9a所示的移位過程，可以對此二維感光像素區(qū)進行讀出首先將各像素逐行“垂直”移位到水平寄存器。在此，將各個像素逐像素“水平”移位到前置放大器并進一步輸出到其輸出端。二維CCD陣列通常用于攝像機，并且可以在每一維包括256至1K像素。圖9b示出移位作為存儲的光致電子的像素信息的移位過程對于每個像素存在3個電極(1、2、3)，它們被3相正時鐘信號(φ1、φ2、φ3)驅(qū)動。電子總是累積在由“下”狀態(tài)表示的正電位阱內(nèi)。例如，為了在時鐘周期(t1至t6)之后將整個陣列的存儲電子移位一個像素，使時鐘信號的上相位和下相位重疊，即

在本發(fā)明中，所述二維CCD陣列的感光像素(PIX)的第一行用作所述微型分光計設(shè)備4a’的直線式光檢測器陣列。剩余的CCD像素行不用作光檢測器，但是要避免光干擾，并用作隨時間變化的頻譜信息的主存儲設(shè)備。
處理器1與其存儲設(shè)備1c對數(shù)據(jù)采集與處理過程進行控制，執(zhí)行步驟對激發(fā)源3的一個或多個適當(dāng)二極管施加脈沖以分別激發(fā)相應(yīng)基準(zhǔn)樣本7-R和試樣樣本7-P的發(fā)光標(biāo)記；施加該光脈沖之后，在CCD陣列中換行適當(dāng)次數(shù)，以將隨時間變化的頻譜響應(yīng)信息作為二維圖像幀存儲到所述陣列的保護區(qū)內(nèi)；從CCD陣列中讀取隨時間變化的頻譜響應(yīng)消息，并將它存儲到存儲設(shè)備1c內(nèi)；根據(jù)待執(zhí)行的鑒定任務(wù)，在后處理并計算隨時間變化的頻譜信息。
步驟b)的換行頻率確定可實現(xiàn)的時間分辨率。對應(yīng)于250ns的時間步長，換行頻率高達4MHz。以本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員公知的方式在步驟c)讀出累積數(shù)據(jù)的過程可以更慢。步驟c)之后可獲得的數(shù)據(jù)對應(yīng)于具有頻譜維和時間維的“圖像幀”。通過以適當(dāng)波長劃分時間段，可以由該幀獲得衰減時間曲線；如在上述一維實施例中說明的那樣，對此信息進行處理和計算。該分析還可以擴展到不止一個波長，或者還可以利用采集數(shù)據(jù)幀的第二維，結(jié)合頻譜分析進行分析。
權(quán)利要求
1.一種用于鑒定發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的方法，包括步驟利用至少一個激發(fā)源(3、31至36)的至少一個激發(fā)脈沖(P)激發(fā)所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)，根據(jù)所述至少一個激發(fā)脈沖(P)，以時間間隔(t1至tn)測量所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的發(fā)射輻射(E)發(fā)出的發(fā)射強度(I)的試樣強度值(VP1至VPn)，產(chǎn)生所述試樣強度值(VP1至VPn)的試樣強度時間發(fā)射函數(shù)，將所述試樣強度時間發(fā)射函數(shù)與至少一個基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)進行比較，在進行比較之前，對所述試樣強度時間發(fā)射函數(shù)和所述基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)進行歸一化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少一個發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)是待鑒定的試樣樣本(7-P)的部分，其特征還在于，測量所述至少一個發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的特定發(fā)射特性，所述特定發(fā)射特性包括所述激發(fā)脈沖(P)的至少一個激發(fā)波長、所述發(fā)射輻射(E)的至少一個發(fā)射波長以及至少一個所述發(fā)射波長在時間間隔(t1至tn)的發(fā)射強度(I)的試樣強度值(VP1至VPn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一個熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)是基準(zhǔn)樣本(7-R)的部分，其特征還在于，測量所述至少一個熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的特定發(fā)射特性，所述特定發(fā)射特性包括所述激發(fā)脈沖(P)的至少一個激發(fā)波長、所述發(fā)射輻射(E)的至少一個發(fā)射波長以及至少一個所述發(fā)射波長在時間間隔(t1至tn)的發(fā)射強度(I)的基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，將基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)和/或至少一個基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)存儲到至少一個存儲設(shè)備(1c、1d)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，以歸一化形式和/或以非歸一化形式存儲所述至少一個基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一項所述的方法，其特征在于，利用從至少一個作為激光和/或發(fā)光二極管的激發(fā)源(3、31至36)發(fā)出的至少一個激發(fā)脈沖(P)，分別激發(fā)所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)和基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一項所述的方法，其特征在于，利用至少一個電子激發(fā)脈沖(P)分別激發(fā)所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)和基準(zhǔn)標(biāo)記(M-P)。
8.一種用于鑒定發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個檢測器(4、41、42、4b)，用于根據(jù)至少一個激發(fā)源(3、31至36)以時間間隔(t1至tn)產(chǎn)生的至少一個激發(fā)脈沖(P)，測量所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的發(fā)射輻射(E)的發(fā)射強度(I)的試樣強度值(VP1至VPn)，至少一個處理器(1)，用于產(chǎn)生所述試樣強度值(VP1至VPn)的試樣強度時間發(fā)射函數(shù)，至少一個處理器(1)，用于將所述試樣強度時間發(fā)射函數(shù)與至少一個基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)進行比較，以及至少一個處理器(1)，在與歸一化基準(zhǔn)試樣強度時間發(fā)射函數(shù)進行比較之前，對所述試樣強度時間發(fā)射函數(shù)進行歸一化處理。
9.一種用于鑒定熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個檢測器(4、41、42、4b)，用于根據(jù)至少一個激發(fā)源(3、31至36)以時間間隔(t1至tn)產(chǎn)生的至少一個激發(fā)脈沖(P)，測量所述熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的發(fā)射輻射(E)的發(fā)射強度(I)的基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)，以及至少一個處理器(1)，用于產(chǎn)生所述基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)的基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，它包括至少一個存儲設(shè)備(1c、1d)，用于對所述熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的發(fā)射輻射(E)的至少一個波長，以時間間隔(t1至tn)存儲發(fā)射強度(I)的基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)和/或用于存儲從基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)產(chǎn)生的至少一個基準(zhǔn)強度時間發(fā)射函數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10之任一項所述的設(shè)備，其特征在于，它包括所述至少一個激發(fā)源(3、31至36)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11之任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個檢測器(4)包括波長選擇器(4a’)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12之任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個檢測器(4、41、4b)分別將試樣強度值(VP1至VPn)和基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)的發(fā)射強度(I)轉(zhuǎn)換為電信號，其特征還在于，所述至少一個處理器(1)采樣所述電信號以分別形成所述試樣強度值(VP1至VPn)的試樣強度時間發(fā)射函數(shù)，和所述基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)的基準(zhǔn)強度時間基準(zhǔn)發(fā)射函數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13之任一項所述的設(shè)備，其特征在于，它至少包括一個用于對兩個或多個發(fā)射波長進行區(qū)分的分光計，其特征還在于，所述至少一個檢測器(4b)是用于在兩個或多個發(fā)射波長測量發(fā)射輻射(E)的陣列光檢測器，分別允許同步測量發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的發(fā)射輻射(E)的試樣強度值(VP1至VPn)和同步測量發(fā)光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的發(fā)射輻射(E)的基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個陣列光檢測器(4b)是二維CCD陣列，第一行感光像素(PIX)用作光檢測陣列，剩余像素行用作在換行處理過程中作為時間函數(shù)的頻譜信息的主存儲設(shè)備。
16.一種用于鑒定發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的安全系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求8至14任一項的設(shè)備，至少一個基準(zhǔn)樣本(7-R)，包括至少一個熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)，用于對所述熒光基準(zhǔn)標(biāo)記(M-R)的發(fā)射輻射(E)的至少一個波長，以時間間隔(t1至tn)測量發(fā)射強度(I)的基準(zhǔn)強度值(VR1至VRn)，以及至少一個試樣樣本(7-P)，包括至少一個發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)，用于對所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M-P)的發(fā)射輻射(E)的至少一個波長，以時間間隔(t1至tn)測量發(fā)射強度(I)的試樣強度值(VP1至VPn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的安全系統(tǒng)，其特征在于，至少一個所述試樣樣本(7-P)是待鑒定的物品(7)的墨水和/或涂料組分的部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的安全系統(tǒng)，其特征在于，至少一個所述試樣樣本(7-P)包含在待鑒定的物品(7)的散裝材料內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于鑒定標(biāo)記(M－P)的方法、設(shè)備和安全系統(tǒng)，包括步驟利用至少一個激發(fā)源(3、31至36)的至少一個激發(fā)脈沖(P)激發(fā)所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M－P)；根據(jù)所述至少一個激發(fā)脈沖(P)，以時間間隔(t1至tn)測量所述發(fā)光試樣標(biāo)記(M－P)的發(fā)射輻射(E)發(fā)出的發(fā)射強度(I)的試樣強度值(V
文檔編號G06K7/10GK1429379SQ01809535
公開日2003年7月9日 申請日期2001年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月16日
發(fā)明者E·米勒, P·埃格爾, M·塞托 申請人:西柏控股有限公司