RU2566600C1 - Device for automatic detection of fast-moving security labels containing diamond microcrystals with active nv centres - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device comprises a reading head equipped with a system for focusing laser radiation for exciting NV centres in a label, configured to create on the surface of the label a focal spot which is strongly stretched in the direction of movement and has a smooth intensity distribution profile along said direction. Furthermore, for microwave excitation of the label, the reading head is equipped with a short-circuited section of a double-wire line, and for collection of fluorescence radiation with a linear array of optical fibres, lined up along said focal spot.

EFFECT: reduced false triggering of the device with simultaneous expansion of the field of use thereof on the label.

7 cl, 4 dwg

Description

Translated fromRussian

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области защиты от подделок банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия (NV-центрами), а именно к устройствам автоматического бесконтактного детектирования указанных выше быстродвижущихся меток, и может быть использовано для проверки подлинности указанных объектов, движущихся на больших скоростях до 20 м/с, в том числе в системах их массового автоматизированного контроля, например, в счетно-сортировальных машинах.The invention relates to the field of protection against counterfeiting of banknotes, securities, documents and other products with authenticity tags containing diamond nanocrystals with nitrogen-vacancy centers (NV centers), namely, devices for the automatic non-contact detection of the above-mentioned fast-moving tags, and can be used to verify the authenticity of these objects moving at high speeds up to 20 m / s, including in systems of their mass automated control, for example, in counting and sorting machines.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

В настоящее время защиту от подделок банкнот, ценных бумаг, документов и иных изделий осуществляют при помощи нанесения на них защитных меток, обладающих особыми физическими свойствами. Активным веществом меток, несущим защитный признак, являются, в частности, микроскопические искусственные кристаллы алмаза с центрами азот-вакансия (NV-центрами), созданные по специальной технологии. NV-центр - это дефект кристаллической решетки алмаза, представляющий собой вакансию (отсутствие атома углерода) в кристаллической решетке алмаза, связанную с атомом азота, находящимся рядом в позиции замещения. Эффект ДРОР обусловлен структурой энергетических уровней NV-центра и большим временем жизни спиновых подуровней. Эффект ДРОР проявляется следующим образом: при постоянном оптическом возбуждении NV-центра происходит поглощение возбуждающего излучения, устанавливается стационарное распределение населенностей его уровней и стационарная эмиссия собственного оптического излучения, а при одновременном возбуждении NV-центра СВЧ полем определенной частоты, происходит изменение населенности уровней и изменение его эмиссии [см. напр.: Marcus W. Doherty, The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Physics Reports. 2013. V. 528. pp. -45]. Периодически модулируя СВЧ-поле, возбуждающее NV-центры, можно наблюдать соответствующую модуляцию их флюоресценции, которая происходит на той же частоте и в той же фазе, что и модуляция СВЧ-поля. Это позволяет применять для регистрации хорошо известную методику синхронного детектирования, которая позволяет выделить указанный промодулированный полезный сигнал на фоне разнообразных шумов, даже если величина последних много больше величины полезного сигнала.Currently, protection against counterfeiting of banknotes, securities, documents and other products is carried out by applying protective labels on them that have special physical properties. The active substance of labels bearing a protective feature are, in particular, microscopic artificial diamond crystals with nitrogen-vacancy centers (NV centers) created using special technology. The NV center is a diamond crystal lattice defect, which is a vacancy (absence of a carbon atom) in the diamond crystal lattice associated with a nitrogen atom located nearby in the substitution position. The DROR effect is due to the structure of the energy levels of the NV center and the long lifetime of the spin sublevels. The DROR effect is manifested as follows: with constant optical excitation of the NV center, the exciting radiation is absorbed, a stationary distribution of the populations of its levels and stationary emission of intrinsic optical radiation are established, and with simultaneous excitation of the NV center by a microwave field of a certain frequency, a change in the level population and a change in its emissions [see e.g. Marcus W. Doherty, The nitrogen-vacancy color center in diamond // Physics Reports. 2013. V. 528. pp. -45]. By periodically modulating the microwave field exciting the NV centers, one can observe the corresponding modulation of their fluorescence, which occurs at the same frequency and in the same phase as the modulation of the microwave field. This makes it possible to use the well-known synchronous detection technique for registration, which allows one to isolate the indicated modulated useful signal against a background of various noises, even if the magnitude of the latter is much greater than the magnitude of the useful signal.

При этом отметим, что в случае сильных шумов методика синхронного детектирования требует значительного времени измерения. Однако при автоматической регистрации защитных меток на изделиях, движущихся мимо детектора, например на банкнотах в счетно-сортировальной машине, время детектирования ограничено и равно отношению размера метки к скорости движения. Кроме того, на практике защищаемые изделия часто имеют в своем составе элементы, которые сильно флюоресцируют под действием оптической накачки при детектировании, например краска различных элементов банкнот, специальные флуоресцентные волокна в бумаге, и т.п. При этом уровень их флюоресценции зачастую намного превышает флюоресценцию самих NV-центров. Если изделие с меткой движется с достаточно большой скоростью около 10 м/с, характерной для современных счетно-сортировальных машин, элементы, обладающие сильной флюоресценцией, за короткое время входят в зону детектирования и выходят из нее, внося в сигнал флюоресценции компоненты в широкой полосе частот с относительно большой амплитудой. Некоторые из этих компонентов иногда (на практике довольно часто) попадают в полосу регистрации синхронного детектора и вызывают ложные срабатывания устройства, что практически не позволяет использовать известные ранее устройства для регистрации быстро движущихся меток.It should be noted that in the case of strong noise, the synchronous detection technique requires a significant measurement time. However, when automatically registering security labels on products moving past the detector, for example, on banknotes in a counting and sorting machine, the detection time is limited and equal to the ratio of the size of the label to the speed of movement. In addition, in practice, protected products often include elements that fluoresce strongly under the influence of optical pumping during detection, for example, the paint of various elements of banknotes, special fluorescent fibers in paper, etc. Moreover, their fluorescence level often far exceeds the fluorescence of the NV centers themselves. If a product with a tag moves at a sufficiently high speed of about 10 m / s, which is typical for modern counting and sorting machines, elements with strong fluorescence enter the detection zone and leave it in a short time, introducing components into the fluorescence signal in a wide frequency band with a relatively large amplitude. Some of these components sometimes (in practice quite often) fall into the registration band of the synchronous detector and cause false positives of the device, which practically does not allow the use of previously known devices to register fast moving tags.

В настоящее время известно несколько устройств, предназначенных для проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по критерию наличия меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с NV-центрами.Currently, several devices are known for verifying the authenticity of banknotes, securities and documents by the criterion of the presence of authentication tags containing diamond nanocrystals with NV centers.

Из патента РФ №2422903, ООО «Новые энергетические технологии», МПК G07D 0/00, В82В 3/00, опубл. 27.06.2011, известно устройство проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов, содержащее генератор сигнала модуляции, СВЧ-генератор, источник оптического излучения накачки, оптическую систему подачи оптического излучения накачки NV-центров, оптическую систему сбора флуоресценции, светофильтр, фотоприемник, синхронный детектор.From the patent of the Russian Federation No. 2422903, LLC “New Energy Technologies”, IPC G07D 0/00, B82B 3/00, publ. 06/27/2011, a device for checking the authenticity of banknotes, securities and documents containing a modulation signal generator, a microwave generator, an optical pump radiation source, an optical supply system for optical pump radiation of NV centers, an optical fluorescence collection system, a light filter, a photodetector, a synchronous detector .

Недостатком известного устройства является то, что при регистрации движущихся меток в присутствии других сильно флюоресцирующих элементов защищаемых изделий (например, банкнот), устройство выдает большое количество ложных срабатываний, что не позволяет использовать его на практике для автоматической проверки подлинности движущихся изделий, например банкнот в счетно-сортировальной машине.A disadvantage of the known device is that when registering moving marks in the presence of other highly fluorescent elements of the protected products (for example, banknotes), the device gives a large number of false positives, which does not allow using it in practice for automatic verification of the moving products, for example banknotes -sorting machine.

Из патента РФ №2453433 (прототип), ООО «Новые энергетические технологии», МПК В41М 5/00, G07D 7/06, G06K 7/12, опубл. 20.06.2012, известно устройство автоматизированной проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов, содержащее генератор сигнала модуляции, генератор СВЧ-излучения, два источника оптического излучения накачки, две оптические системы регистрации флуоресценции, две оптические системы, направляющие оптическое излучение на метку с NV-центрами, два фотодетектора, два синхронных детектора.From the patent of the Russian Federation No. 2453433 (prototype), LLC “New Energy Technologies”, IPC V41M 5/00, G07D 7/06, G06K 7/12, publ. 06/20/2012, there is a device for automated authentication of banknotes, securities and documents containing a modulation signal generator, a microwave radiation generator, two optical pump radiation sources, two optical fluorescence recording systems, two optical systems directing optical radiation to a tag with NV- centers, two photodetectors, two synchronous detectors.

Недостатком известного устройства является то, что при регистрации движущихся меток в присутствии других сильно флюоресцирующих элементов защищаемых изделий (например, банкнот), устройство выдает большое количество ложных срабатываний.A disadvantage of the known device is that when registering moving marks in the presence of other strongly fluorescent elements of the protected products (for example, banknotes), the device gives a large number of false positives.

Однако для практических применений особенно актуально детектирование защитных меток на изделиях, движущихся на больших скоростях до 20 м/с, например банкнот в счетно-сортировальных машинах. При этом предпочтительно детектирование бесконтактным способом при расположении детектора с одной стороны от изделия. По научной литературе, (J″ org Wrachtrup and Fedor Jelezko, Processing quantum information in diamond, J. Phys.: Condens. Matter 18 (2006) S807-S824, doi:10.1088/0953-8984/18/21/S08; M. Simanovskaia, K. Jensen, A. Jarmola, K. Aulenbacher, N. Manson, and D. Budker, Sidebands in Optically Detected Magnetic Resonance Signals of Nitrogen Vacancy Centers in Diamond, Phys. Rev. В (2013) 87, 224106; V. M. Acosta, E. Bauch, M.P. Ledbetter, A. Waxman, L.-S. Bouchard, and D. Budker, Temperature Dependence of the Nitrogen-Vacancy Magnetic Resonance in Diamond, PRL 104, 070801 (2010)) известны устройства, в которых СВЧ-возбуждение NV-центров осуществляется с помощью микрополосковой линии или тонкого проводника, сверху на которую (который) помещают алмаз (алмазы) с NV-центрами или метку (изделие с меткой), содержащую указанные алмазы. Оптическое возбуждение и сбор флюоресценции обычно осуществляют с другой стороны (сверху). Необходимость доступа к метке с двух сторон существенно ограничивает область применения данной технологии.However, for practical applications, the detection of protective marks on products moving at high speeds up to 20 m / s, for example banknotes in counting and sorting machines, is especially relevant. It is preferable to detect in a non-contact manner when the detector is located on one side of the product. According to the scientific literature, (J ″ org Wrachtrup and Fedor Jelezko, Processing quantum information in diamond, J. Phys .: Condens. Matter 18 (2006) S807-S824, doi: 10.1088 / 0953-8984 / 18/21 / S08; M Simanovskaia, K. Jensen, A. Jarmola, K. Aulenbacher, N. Manson, and D. Budker, Sidebands in Optically Detected Magnetic Resonance Signals of Nitrogen Vacancy Centers in Diamond, Phys. Rev. B (2013) 87, 224106; VM Acosta, E. Bauch, MP Ledbetter, A. Waxman, L.-S. Bouchard, and D. Budker, Temperature Dependence of the Nitrogen-Vacancy Magnetic Resonance in Diamond, PRL 104, 070801 (2010)) are known devices which the microwave excitation of NV centers is carried out using a microstrip line or a thin conductor, on top of which (which) is placed diamond (diamonds) with NV centers or a mark (product with metal oh) having said diamonds. Optical excitation and fluorescence collection are usually carried out on the other side (above). The need to access the tag from two sides significantly limits the scope of this technology.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей предлагаемого изобретения является создание нового устройства, позволяющего проводить бесконтактное одностороннее детектирование меток, аналогичных указанным выше, при скоростях их движения до 20 м/с с малой вероятностью ложных срабатываний детектора.The objective of the invention is the creation of a new device that allows for non-contact, one-sided detection of tags similar to the above, at speeds of up to 20 m / s with a low probability of false positives of the detector.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является уменьшение ложных срабатываний устройства при одновременном расширении области его применения на метки, движущиеся со скоростями от 1 до 20 м/с.The technical result achieved by using the invention is to reduce false positives of the device while expanding the scope of its application to labels moving at speeds from 1 to 20 m / s.

Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет нового устройства автоматического бесконтактного детектирования быстродвижущихся защитных меток на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами, содержащего генератор сигнала модуляции, соединенный с генератором СВЧ-сигнала, и источник лазерного излучения, выходы которых соединены со считывающей головкой, размещенной возле конвейерной ленты с закрепленным на ней изделием с защитной меткой, соединенной с фотодетектором, снабженным оптическим фильтром, выход которого соединен с одним входом синхронного детектора, другой вход которого соединен с выходом указанного выше генератора сигнала модуляции, а выход синхронного детектора соединен с блоком обработки информации, согласно изобретению считывающая головка содержит систему фокусировки лазерного излучения для возбуждения NV-центров в метке, выполненной с возможностью создания на поверхности метки фокального пятна, сильно вытянутого в направлении движения и обладающего гладким профилем распределения интенсивности вдоль указанного направления, кроме того, считывающая головка снабжена системой СВЧ-возбуждения метки, выполненной в виде полуволнового короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии, расположенного вдоль направления движения метки таким образом, чтобы фокальное пятно находилось вблизи короткозамкнутого конца, считывающая головка также снабжена системой сбора излучения флюоресценции метки в виде линейного массива оптических волокон, размещенных таким образом, чтобы их торцы были выстроены вдоль отрезка параллельно направлению движения метки и направлены на указанное фокальное пятно, при этом система фокусировки содержит, по меньшей мере, один астигматический элемент, например, цилиндрическую линзу, зеркало или фазовый элемент (линзу Френеля), причем отрезок, вдоль которого выстроены торцы оптических волокон, имеет длину, равную или большую, чем длина фокального пятна вдоль направления метки, а торцы волокон расположены от фокального пятна на расстоянии 0.5-6 мм, предпочтительно 1-3 мм, сами волокна имеют числовую апертуру от 0.25 до 0.6, и для детектирования используют метки, движущиеся со скоростью 1-20 м/с.The task and the required technical result are achieved due to a new device for the automatic non-contact detection of fast-moving protective labels based on diamond microcrystals with active NV centers, containing a modulation signal generator connected to a microwave signal generator, and a laser radiation source, the outputs of which are connected to the read head located near the conveyor belt with a product fixed to it with a protective mark connected to a photo detector equipped with an optical filter m, the output of which is connected to one input of the synchronous detector, the other input of which is connected to the output of the modulation signal generator indicated above, and the output of the synchronous detector is connected to the information processing unit, according to the invention, the read head contains a laser focusing system for exciting NV centers in the tag, made with the possibility of creating a focal spot mark on the surface, strongly elongated in the direction of motion and having a smooth intensity distribution profile along the specified about the direction, in addition, the read head is equipped with a system of microwave excitation of the mark made in the form of a half-wave short-circuited segment of a two-wire line located along the direction of movement of the mark so that the focal spot is near the short-circuited end, the read head is also equipped with a system for collecting fluorescence of the mark in in the form of a linear array of optical fibers placed in such a way that their ends are aligned along a segment parallel to the direction of movement of the mark and directed to the specified focal spot, while the focusing system contains at least one astigmatic element, for example, a cylindrical lens, a mirror or a phase element (Fresnel lens), and the segment along which the ends of the optical fibers are aligned has a length equal to or greater than the length of the focal spot along the direction of the mark, and the ends of the fibers are located from the focal spot at a distance of 0.5-6 mm, preferably 1-3 mm, the fibers themselves have a numerical aperture from 0.25 to 0.6, and for detection using labels moving speed of 1-20 m / s.

Существенными отличиями предлагаемого изобретения является новое конструктивное исполнение считывающей головки устройства, снабженной специальной системой фокусировки лазерного излучения для возбуждения NV-центров в метке, выполненной с возможностью создания на поверхности метки фокального пятна, сильно вытянутого в направлении движения и обладающего гладким профилем распределения интенсивности вдоль указанного направления. Кроме того, для СВЧ-возбуждения метки считывающая головка снабжена короткозамкнутым отрезком двухпроводной линии, а для сбора излучения флюоресценции линейным массивом оптических волокон с высокой числовой апертурой, выстроенного вдоль указанного фокального пятна. Перечисленные существенные признаки в совокупности позволяют бесконтактно с расстояния до 3 мм производить СВЧ-возбуждение активного вещества меток, также бесконтактно проводить оптическое возбуждение и осуществлять эффективный сбор излучения флюоресценции метки вдоль вытянутого фокального пятна, причем все указанные операции производятся с одной стороны от поверхности метки. Применение фокального пятна накачки, вытянутого вдоль направления движения, с гладким профилем распределения интенсивности, позволяет избавиться от негативного влияния сильной флюоресценции прочих элементов защищаемого изделия. Таким образом, предложенное изобретение в отличие от прототипа позволяет надежно детектировать метки с NV-центрами при скорости их движения до 20 м/с, что больше, чем скорости движения банкнот в современных счетно-сортировальных машинах, то есть обеспечивает достижение заявленного технического результата.Significant differences of the present invention is a new design of the reading head of the device, equipped with a special laser focusing system for exciting NV centers in the mark, made with the possibility of creating a focal spot on the mark surface, strongly elongated in the direction of motion and having a smooth intensity distribution profile along the specified direction . In addition, for microwave excitation of the tag, the read head is equipped with a short-circuited segment of a two-wire line, and for collecting fluorescence radiation by a linear array of optical fibers with a high numerical aperture, aligned along the specified focal spot. The essential features listed above together make it possible to conduct microwave excitation of the active substance of the tags without contact from a distance of 3 mm, also to conduct optical excitation non-contact and to efficiently collect the fluorescence of the tag along an elongated focal spot, and all these operations are performed on one side of the tag surface. The use of a focal spot of pumping, elongated along the direction of motion, with a smooth intensity distribution profile, eliminates the negative influence of strong fluorescence of other elements of the protected product. Thus, the proposed invention, unlike the prototype, allows reliable detection of tags with NV centers at a speed of up to 20 m / s, which is greater than the speed of banknotes in modern counting and sorting machines, that is, it ensures the achievement of the claimed technical result.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На Фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства.In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device.

На Фиг. 2 представлена схема считывающей головки.In FIG. 2 is a diagram of a read head.

На Фиг. 3 изображена фотография с профилем распределения интенсивности в фокальном пятне.In FIG. Figure 3 shows a photograph with the intensity distribution profile in the focal spot.

На Фиг. 4 представлена фотография, на которой изображены сигнал флюоресценции и сигнал с выхода синхронного детектора, полученные от настоящей банкноты с нанесенными на нее двумя защитными метками, которая двигалась мимо считывающей головки детектора со скоростью 20 м/с.In FIG. Figure 4 shows a photograph showing the fluorescence signal and the signal from the output of a synchronous detector, obtained from a real banknote with two protective marks applied to it, which moved past the read head of the detector at a speed of 20 m / s.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Каждый элемент защищаемого изделия с сильной флюоресценцией, движущийся вдоль указанного вытянутого фокального пятна оптической накачки, дает сигнал флюоресценции, который «повторяет» профиль распределения интенсивности в указанном пятне вдоль направления движения. Размер фокального пятна вдоль направления движения (далее длина фокального пятна) выбирают достаточно большим, чтобы время нарастания (и спада) сигнала флюоресценции, равное отношению половины длины пятна к скорости движения, было много больше периода модуляции СВЧ-поля. Таким образом, «паразитная» флюоресценция различных элементов не попадает в полосу регистрации синхронного детектора. При этом саму частоту модуляции СВЧ-поля выбирают так, чтобы за время движения подлинной метки вдоль пятна накачки прошло более 10 периодов модуляции, что обеспечивает надежное синхронное детектирование.Each element of the protected product with strong fluorescence moving along the specified elongated focal spot of optical pumping gives a fluorescence signal that "repeats" the intensity distribution profile in the specified spot along the direction of movement. The size of the focal spot along the direction of motion (hereinafter referred to as the length of the focal spot) is chosen sufficiently large so that the rise (and fall) time of the fluorescence signal, which is equal to the ratio of half the length of the spot to the speed of movement, is much longer than the modulation period of the microwave field. Thus, the “parasitic" fluorescence of various elements does not fall into the registration band of the synchronous detector. In this case, the frequency modulation of the microwave field itself is chosen so that more than 10 modulation periods pass during the movement of the genuine mark along the pumping spot, which ensures reliable synchronous detection.

При этом сбор флюоресценции должен осуществляться одинаково эффективно вдоль всего вытянутого фокального пятна. Для этой цели в данном техническом решении применяется линейный массив многомодовых оптических волокон, выстроенных вдоль всей длины фокального пятна и направленных на него. Торцы волокон находятся от фокального пятна на расстоянии 0.5-6 мм, предпочтительно 1-3 мм, что вкупе с их большой числовой апертурой, обеспечивает очень высокую эффективность сбора излучения флюоресценции. Если торцы волокон находятся от фокального пятна на расстоянии менее 0,5 мм, то существенно возрастает вероятность их касания движущимся изделием, т.к. точность его позиционирования на ленте конвейера в направлении, перпендикулярном ее плоскости, обычно составляет величину до 0,5 мм. Это может привести к повреждению как изделий, так и самих оптических волокон. Если торцы волокон находятся от фокального пятна на расстоянии более 6 мм, то эффективности сбора флюоресценции метки становится недостаточно даже при использовании высокочувствительных коммерческих фотоприемников, таких как ФЭУ или лавинные фотодиоды. Предпочтительным является расстояние 1-3 мм, так как на таком расстоянии касания торцов оптических волокон изделиями исключены, а эффективность сбора флюоресценции достаточно высока для надежной регистрации сигнала.In this case, the collection of fluorescence should be equally effective along the entire elongated focal spot. For this purpose, this technical solution uses a linear array of multimode optical fibers aligned along the entire length of the focal spot and directed at it. The ends of the fibers are from the focal spot at a distance of 0.5-6 mm, preferably 1-3 mm, which, together with their large numerical aperture, provides a very high efficiency of the collection of fluorescence radiation. If the ends of the fibers are less than 0.5 mm from the focal spot, then the likelihood of them being touched by a moving product increases significantly, since the accuracy of its positioning on the conveyor belt in the direction perpendicular to its plane is usually up to 0.5 mm. This can result in damage to both the products and the optical fibers themselves. If the ends of the fibers are more than 6 mm from the focal spot, then the tag fluorescence collection efficiency becomes insufficient even when using highly sensitive commercial photodetectors, such as PMTs or avalanche photodiodes. A distance of 1-3 mm is preferable, since at such a distance of touching the ends of the optical fibers, the products are excluded, and the fluorescence collection efficiency is high enough for reliable signal recording.

Подлинная метка, проходящая через фокальное пятно оптической накачки, должна одновременно возбуждаться СВЧ-полем на всей длине указанного пятна. Для этого используется короткозамкнутый полуволновый отрезок двухпроводной линии, параллельный направлению движения метки. Подвод СВЧ-мощности осуществляется стандартным коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. Так как волновое сопротивление двухпроводной линии отличается от сопротивления подводящего кабеля, а длина указанного отрезка составляет целое число полуволн, поэтому он обладает резонаторными свойствами. Вблизи короткозамкнутого конца такого отрезка возникает пучность тока и соответственно магнитной компоненты СВЧ-поля, которая эффективно возбуждает NV-центры. При этом указанное магнитное поле возле короткозамкнутого конца достаточно однородно на длине до 10 мм вдоль фокального пятна и на расстояниях до 3 мм от самой двухпроводной линии.A genuine mark passing through the focal spot of the optical pump should be simultaneously excited by the microwave field along the entire length of the indicated spot. To do this, use a short-circuited half-wave segment of a two-wire line parallel to the direction of movement of the mark. The microwave power is supplied by a standard coaxial cable with a wave impedance of 50 Ohms. Since the wave impedance of a two-wire line differs from the resistance of the supply cable, and the length of the specified segment is an integer number of half-waves, therefore it has resonator properties. Near the short-circuited end of such a segment, an antinode of the current and, accordingly, of the magnetic component of the microwave field arises, which effectively excites NV centers. Moreover, the indicated magnetic field near the short-circuited end is quite uniform over a length of 10 mm along the focal spot and at distances up to 3 mm from the two-wire line itself.

Принципиальная схема устройства представлена на Фиг. 1. Защищаемое изделие 1 с меткой, например банкнота, закрепленное штатным образом на ленте конвейера 2, например серийной счетно-сортировальной машины, движется мимо считывающей головки 3 устройства (детектора). При этом происходит оптическое возбуждение метки источником лазерного излучения 4, а также ее возбуждение промодулированным СВЧ-излучением 5. Указанное излучение генерируется генератором СВЧ 6, сигнал модуляции 7 на который подается от генератора 8 сигнала модуляции. Оптическая эмиссия (флюоресценция) метки собирается считывающей головкой детектора и направляется на фотодетектор 9 через оптический фильтр 10, препятствующий попаданию на фотодетектор рассеянного лазерного излучения. Промодулированный электрический сигнал 11 с фотодетектора 9 направляется в синхронный детектор 12. В качестве опорного сигнала для указанного синхронного детектора используется сигнал модуляции 7. Сигнал с выхода синхронного детектора 12 подается в блок анализа 13, где происходит его сравнение с эталонным сигналом. В случае если амплитуда и длительность сигнала с выхода синхронного детектора попадают в заданные пользователем диапазоны, то констатируется наличие метки, и на выход 14 выводится соответствующий сигнал. Указанные диапазоны заранее задаются пользователем исходя из типа детектируемых меток (размер, толщина, концентрация активного вещества в метке) и скорости движения меток.A schematic diagram of the device is shown in FIG. 1. The protectedproduct 1 with a label, for example a banknote, mounted in a regular manner on aconveyor belt 2, for example, a serial counting and sorting machine, moves past the read head 3 of the device (detector). When this occurs, the optical excitation of the label by thelaser radiation source 4, as well as its excitation by modulated microwave radiation 5. The specified radiation is generated by the microwave generator 6, the modulation signal 7 to which is supplied from the generator 8 of the modulation signal. Optical emission (fluorescence) of the tag is collected by the read head of the detector and sent to the photodetector 9 through an optical filter 10, which prevents the scattered laser radiation from reaching the photodetector. The modulated electrical signal 11 from the photodetector 9 is sent to the synchronous detector 12. As the reference signal for the specified synchronous detector, a modulation signal 7 is used. The signal from the output of the synchronous detector 12 is supplied to the analysis unit 13, where it is compared with the reference signal. If the amplitude and duration of the signal from the output of the synchronous detector fall within the ranges specified by the user, then the presence of a mark is detected, and the corresponding signal is output to output 14. The indicated ranges are predefined by the user based on the type of detected tags (size, thickness, concentration of the active substance in the tag) and the speed of the tags.

Схема считывающей головки 3 более детально представлена на Фиг. 2. Лазерное излучение 15 фокусируется астигматическим элементом, например, цилиндрической линзой 16, зеркалом (на чертежах не показано) или фазовым элементом (линзой Френеля, на чертежах не показано) на поверхности метки 17 в фокальное пятно 18, вытянутое вдоль направления движения 19 метки. Излучение флюоресценции метки, либо любого иного элемента, проходящего через фокальное пятно 18, попадает на линейный массив многомодовых оптических волокон 20, выстроенных вдоль всей длины фокального пятна 18 и направленных на него. Торцы волокон находятся от фокального пятна на расстоянии 0.5-6 мм, предпочтительно 1-3 мм, что вкупе с их большой числовой апертурой (от 0.25 до 0.6), обеспечивает очень высокую и равноценную эффективность сбора излучения флюоресценции вдоль всей длины фокального пятна. Указанные оптические волокна в виде жгута направляются к фотодетектору 9 с оптическим фильтром 10, изображенным на Фиг. 1.The layout of the read head 3 is presented in more detail in FIG. 2.Laser radiation 15 is focused by an astigmatic element, for example, acylindrical lens 16, a mirror (not shown in the drawings) or a phase element (Fresnel lens, not shown in the drawings) on the surface of themark 17 into thefocal spot 18, elongated along the direction ofmovement 19 of the mark. The fluorescence radiation of the label, or any other element passing through thefocal spot 18, falls on a linear array of multimodeoptical fibers 20, aligned along the entire length of thefocal spot 18 and directed at it. The ends of the fibers are 0.5-6 mm from the focal spot, preferably 1-3 mm, which, together with their large numerical aperture (0.25 to 0.6), provides a very high and equivalent efficiency of collecting fluorescence radiation along the entire length of the focal spot. These optical fibers in the form of a bundle are directed to the photodetector 9 with the optical filter 10 shown in FIG. one.

Для равномерного СВЧ-возбуждения метки вдоль всего фокального пятна используется короткозамкнутый полуволновый отрезок 21 двухпроводной линии, параллельный направлению движения метки. Подвод СВЧ-мощности осуществляется стандартным коаксиальным кабелем 22 с волновым сопротивлением 50 Ом. Так как волновое сопротивление двухпроводной линии отличается от сопротивления подводящего кабеля, а длина указанного отрезка составляет целое число полуволн, поэтому он обладает резонаторными свойствами. Вблизи короткозамкнутого конца такого отрезка возникает пучность тока и соответственно магнитной компоненты СВЧ-поля, которая эффективно возбуждает NV-центры. При этом указанное магнитное поле возле короткозамкнутого конца достаточно однородно на длине до 10 мм вдоль фокального пятна и на расстояниях до 3 мм от самой двухпроводной линии.For uniform microwave excitation of the mark along the entire focal spot, a short-circuited half-wave segment 21 of the two-wire line is used, parallel to the direction of motion of the mark. The microwave power is supplied by a standardcoaxial cable 22 with a wave impedance of 50 Ohms. Since the wave impedance of a two-wire line differs from the resistance of the supply cable, and the length of the specified segment is an integer number of half-waves, therefore it has resonator properties. Near the short-circuited end of such a segment, an antinode of the current and, accordingly, of the magnetic component of the microwave field arises, which effectively excites NV centers. Moreover, the indicated magnetic field near the short-circuited end is quite uniform over a length of 10 mm along the focal spot and at distances up to 3 mm from the two-wire line itself.

Измеренный профиль распределения интенсивности в фокальном пятне изображен на Фиг. 3, где 23 - это изображение указанного фокального пятна, полученное с помощью профилометра, 24 - реальный измеренный профиль распределения интенсивности в указанном пятне в направлении движения метки, 25 - автоматическая аппроксимация указанного профиля 24 с помощью распределения Гаусса, 26 - профиль распределения интенсивности в направлении, перпендикулярном движению.The measured focal spot intensity distribution profile is depicted in FIG. 3, where 23 is the image of the specified focal spot obtained using the profilometer, 24 is the actual measured profile of the intensity distribution in the specified spot in the direction of the mark, 25 is the automatic approximation of the specifiedprofile 24 using the Gaussian distribution, 26 is the profile of the intensity distribution in the direction perpendicular to the movement.

Каждый элемент защищаемого изделия с сильной флюоресценцией, движущийся вдоль указанного вытянутого фокального пятна 18, дает сигнал флюоресценции, который «повторяет» гладкий профиль распределения интенсивности в указанном пятне вдоль направления движения. Размер фокального пятна вдоль направления движения выбирают достаточно большим, чтобы время нарастания (и спада) сигнала флюоресценции, равное отношению половины длины пятна к скорости движения, было много больше периода модуляции СВЧ-поля. Таким образом, «паразитная» флюоресценция различных элементов не попадает в полосу регистрации синхронного детектора, т.к. паразитные сигналы нарастают и спадают слишком медленно. При этом саму частоту модуляции СВЧ-поля выбирают так, чтобы за время движения подлинной метки вдоль пятна накачки прошло более 10 периодов модуляции, что обеспечивает надежное синхронное детектирование. При этом модуляция может быть как амплитудная, так и частотная, причем глубина частотной модуляции составляет в течение одного полупериода 2,87±0,1 ГГц, а в течение другого отличается от 2,87 более чем на 0,5 ГГц.Each element of the protected product with strong fluorescence, moving along the specified elongatedfocal spot 18, gives a fluorescence signal that "repeats" the smooth profile of the intensity distribution in the specified spot along the direction of movement. The size of the focal spot along the direction of motion is chosen large enough so that the rise (and fall) time of the fluorescence signal, equal to the ratio of half the length of the spot to the speed of movement, is much longer than the modulation period of the microwave field. Thus, the “parasitic" fluorescence of various elements does not fall into the registration band of the synchronous detector, because spurious signals rise and fall too slowly. In this case, the frequency modulation of the microwave field itself is chosen so that more than 10 modulation periods pass during the movement of the genuine mark along the pumping spot, which ensures reliable synchronous detection. In this case, the modulation can be both amplitude and frequency, and the depth of the frequency modulation is 2.87 ± 0.1 GHz during one half-cycle, and differs from 2.87 by more than 0.5 GHz during the other half-cycle.

На Фиг. 4 приведены сигнал флюоресценции 26 и сигнал с выхода синхронного детектора 27, полученные от настоящей банкноты с нанесенными на нее двумя защитными метками, движущейся мимо считывающей головки детектора со скоростью 20 м/с. Пики флюоресценции 28, соответствующие флюоресцентным краскам и волокнам на банкноте и являющиеся паразитными (шумовыми) сигналами, намного больше, чем пики 29, которые соответствуют защитным меткам. При этом на выходе синхронного детектора пики 30, соответствующие защитным меткам намного превышают шумовой фон. Модуляция флюоресценции метки, обусловленная модуляцией возбуждающего СВЧ-поля, много меньше шумовых выбросов и неразличима на данных осциллограммах, однако достаточна для уверенной регистрации с помощью синхронного детектора.In FIG. Figure 4 shows thefluorescence signal 26 and the signal from the output of thesynchronous detector 27, obtained from a real banknote with two protective marks deposited on it, moving past the read head of the detector at a speed of 20 m / s. Peaks offluorescence 28, corresponding to the fluorescent colors and fibers on the banknote and being spurious (noise) signals, are much larger thanpeaks 29, which correspond to protective labels. At the same time, at the output of the synchronous detector, thepeaks 30 corresponding to the protective marks far exceed the background noise. The fluorescence modulation of the label, due to the modulation of the exciting microwave field, is much less than the noise emissions and is indistinguishable on these oscillograms, but it is sufficient for reliable recording using a synchronous detector.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Защищаемое изделие 1 - банкнота - штатным образом закрепляется на конвейерной ленте 2 (Фиг. 1) серийной счетно-сортировальной машины, движущейся со скоростью от 1 до 20 м/с, таким образом, чтобы нанесенные на банкноты, проходили под считывающей головкой 3 устройства для детектирования. Излучение 15 лазера 4 фокусируется цилиндрической линзой 16 в плоскости конвейерной ленты в фокальное пятно 18 (Фиг. 2). Длину волны излучения лазера выбирают таким образом, чтобы она попадала в полосу поглощения NV-центров, т.е. от 450 до 650 нм, например, используют вторую гармонику DPSS лазера на неодимовом гранате с длиной волны 532 нм, а его мощность Р так, чтобы флюоресценция активного вещества метки имела достаточную для измерения величину, т.е. Р=0,3-5 Вт. При этом продольный размер фокального пятна 18 определяется диаметром пучка лазера, который составляет, например, 2 мм или более по полувысоте, а распределение интенсивности в пучке лазера имеет Гауссов или иной подобный профиль 24 (Фиг. 3). Таким образом, при движении какого-либо элемента банкноты вдоль фокального пятна, импульс его флюоресценции, возбуждаемой указанным лазерным излучением (шумовой пик), имеет длительность не менее 0,2 мс, что соответствует частоте 5 кГц.The proposed device operates as follows. The protected product 1 - a banknote - is mounted in a regular manner on a conveyor belt 2 (Fig. 1) of a serial counting and sorting machine moving at a speed of 1 to 20 m / s, so that deposited on the banknotes pass under the reading head 3 of the device for detection. Theradiation 15 of thelaser 4 is focused by acylindrical lens 16 in the plane of the conveyor belt into the focal spot 18 (Fig. 2). The laser radiation wavelength is chosen so that it falls into the absorption band of the NV centers, i.e. from 450 to 650 nm, for example, the second harmonic of a DPSS neodymium garnet laser with a wavelength of 532 nm is used, and its power is P so that the fluorescence of the active substance of the label has a value sufficient for measurement, i.e. P = 0.3-5 watts. The longitudinal size of thefocal spot 18 is determined by the diameter of the laser beam, which is, for example, 2 mm or more at half maximum, and the intensity distribution in the laser beam has a Gaussian or other similar profile 24 (Fig. 3). Thus, when a certain element of a banknote moves along a focal spot, the pulse of its fluorescence excited by the indicated laser radiation (noise peak) has a duration of at least 0.2 ms, which corresponds to a frequency of 5 kHz.

Одновременно происходит возбуждение активного вещества метки модулированным излучением 5 СВЧ-генератора 6, подведенным к указанной области системой подвода СВЧ-сигнала, состоящей из подводящего кабеля 22 и полуволнового короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии 21. При этом основная частота СВЧ-излучения, при которой имеет место двойной радиооптический резонанс на NV-центрах, составляет 2,87±0,1 ГГц, а его мощность составляет 1-3 Вт. Модуляция СВЧ-поля осуществляется по сигналу модуляции 7 с частотой от 10 до 100 кГц, который генерируется серийным генератором сигналов 8. В течение одного полупериода модуляции частота СВЧ-поля составляет 2,87±0,1 ГГц, а в течение другого - 2,8±0,4 ГГц. Т.к. указанная частота модуляции до 20 раз превышает частоты шумовых пиков, они могут быть легко разделены на следующем этапе синхронного детектирования.At the same time, the active substance of the label is excited by modulated radiation 5 of the microwave generator 6, connected to the indicated area by the microwave signal supply system, consisting of asupply cable 22 and a half-wave short-circuited segment of a two-wire line 21. In this case, the main frequency of microwave radiation at which double The radio-optical resonance at NV centers is 2.87 ± 0.1 GHz, and its power is 1-3 watts. The microwave field is modulated by a modulation signal 7 with a frequency from 10 to 100 kHz, which is generated by the serial signal generator 8. During one half-period of modulation, the frequency of the microwave field is 2.87 ± 0.1 GHz, and for the other 2, 8 ± 0.4 GHz. Because the indicated modulation frequency is up to 20 times higher than the frequencies of noise peaks; they can be easily separated at the next stage of synchronous detection.

Излучение флюоресценции метки, либо любого иного элемента, проходящего через фокальное пятно 18, попадает на линейный массив многомодовых оптических волокон 20 (Фиг. 2), например, типа кварц/полимер, выстроенных вдоль всей длины фокального пятна 18 и направленных на него. Торцы волокон находятся от фокального пятна на расстоянии 0.5-6 мм, предпочтительно от 1 до 3 мм, что вкупе с их большой числовой апертурой, обеспечивает очень высокую и равноценную эффективность сбора излучения флюоресценции вдоль всей длины фокального пятна. Указанные оптические волокна в виде жгута направляются к фотодетектору 9, например, серийному фотоэлектронному умножителю с полосой более 100 кГц с оптическим фильтром 10, который пропускает оптическое излучение с длиной волны более 600 нм (long-pass filter).The fluorescence radiation of the tag, or any other element passing through thefocal spot 18, falls on a linear array of multimode optical fibers 20 (Fig. 2), for example, of the quartz / polymer type, aligned along the entire length of thefocal spot 18 and directed to it. The ends of the fibers are from the focal spot at a distance of 0.5-6 mm, preferably from 1 to 3 mm, which, together with their large numerical aperture, provides a very high and equivalent efficiency of collecting fluorescence radiation along the entire length of the focal spot. These optical fibers in the form of a bundle are sent to a photodetector 9, for example, a serial photoelectronic multiplier with a band of more than 100 kHz with an optical filter 10, which transmits optical radiation with a wavelength of more than 600 nm (long-pass filter).

Аналоговый электрический сигнал 11 с фотодетектора 9 направляется в серийный синхронный детектор 12. В качестве опорного сигнала для синхронного детектора используется сигнал модуляции 7 от генератора сигнала модуляции 8. Значение постоянной интегрирования синхронного детектора выбирают равным или немного большим, чем время прохождения метки через фокальное пятно 18 (Фиг. 2). На основании опорного сигнала серийный синхронный детектор 12 выделяет компоненту сигнала флюоресценции, промодулированную на той же частоте и в той же фазе, что и опорный сигнал. При наличии в сигнале 11 с фотодетектора 9 указанных компонентов напряжение на выходе фотодетектора повышается тем больше, чем больше вклад указанных компонентов. Таким образом, при прохождении подлинных меток мимо считывающей головки устройства на выходе синхронного детектора 12 генерируются импульсы 30 (Фиг. 3).An analog electrical signal 11 from the photodetector 9 is sent to the serial synchronous detector 12. As the reference signal for the synchronous detector, a modulation signal 7 from the modulation signal generator 8 is used. The value of the integration constant of the synchronous detector is chosen equal to or slightly larger than the time the label travels through the focal spot 18 (Fig. 2). Based on the reference signal, a serial synchronous detector 12 extracts a component of the fluorescence signal modulated at the same frequency and in the same phase as the reference signal. If the signal 11 from the photodetector 9 of these components, the voltage at the output of the photodetector increases, the greater, the greater the contribution of these components. Thus, when genuine tags pass by the read head of the device,pulses 30 are generated at the output of the synchronous detector 12 (Fig. 3).

Сигнал с выхода синхронного детектора 12 подается в блок анализа 13, где происходит его сравнение с эталонным сигналом. В случае если амплитуда и длительность сигнала с выхода синхронного детектора попадают в заданные пользователем диапазоны, то констатируется наличие метки, и на выход 14 выводится соответствующий сигнал, означающий подлинную метку, в противном случае никакого сигнала не выводится. Указанные диапазоны заранее задаются пользователем исходя из типа детектируемых меток (размер, толщина, концентрация активного вещества в метке) и скорости движения меток. Для этого перед началом работы производят измерение с эталонной меткой, из которого получают значения амплитуды и длительности, характерные для данного типа метки, затем задают диапазоны вокруг указанных измеренных значений.The signal from the output of the synchronous detector 12 is supplied to the analysis unit 13, where it is compared with the reference signal. If the amplitude and duration of the signal from the output of the synchronous detector fall within the ranges specified by the user, then the presence of a mark is detected, and the corresponding signal indicating the true mark is output to output 14, otherwise no signal is output. The indicated ranges are predefined by the user based on the type of detected tags (size, thickness, concentration of the active substance in the tag) and the speed of the tags. To do this, before starting work, a measurement is made with a reference mark, from which the amplitude and duration values characteristic of this type of mark are obtained, then ranges are set around the indicated measured values.

Предложенное изобретение не ограничено описанными выше вариантами осуществления, а наоборот оно охватывает различные модификации и варианты в рамках сущности и объема предлагаемой формулы изобретения.The proposed invention is not limited to the embodiments described above, but rather it encompasses various modifications and variations within the spirit and scope of the proposed claims.

Claims (7)

Translated fromRussian

1. Устройство автоматического бесконтактного детектирования быстродвижущихся защитных меток на основе микрокристаллов алмаза с активными NV-центрами, содержащее генератор сигнала модуляции, соединенный с генератором СВЧ-сигнала, и источник лазерного излучения, выходы которых соединены со считывающей головкой, размещенной возле конвейерной ленты с закрепленным на ней изделием с защитной меткой, соединенной с фотодетектором, снабженным оптическим фильтром, выход которого соединен с одним входом синхронного детектора, другой вход которого соединен с выходом указанного выше генератора сигнала модуляции, а выход синхронного детектора соединен с блоком обработки информации, отличающееся тем, что
считывающая головка содержит систему фокусировки лазерного излучения для возбуждения NV-центров в метке, выполненную с возможностью создания на поверхности метки фокального пятна, сильно вытянутого в направлении движения и обладающего гладким профилем распределения интенсивности вдоль указанного направления, и тем, что
считывающая головка снабжена системой СВЧ-возбуждения метки, выполненной в виде полуволнового короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии, расположенного вдоль направления движения метки таким образом, чтобы фокальное пятно находилось вблизи короткозамкнутого конца, и тем, что
считывающая головка снабжена системой сбора излучения флюоресценции метки в виде линейного массива оптических волокон, размещенных таким образом, чтобы их торцы были выстроены вдоль отрезка параллельно направлению движения метки и направлены на указанное фокальное пятно.1. A device for the automatic non-contact detection of fast-moving protective labels based on diamond microcrystals with active NV centers, comprising a modulation signal generator connected to a microwave signal generator and a laser radiation source whose outputs are connected to a read head located near the conveyor belt fixed to her product with a protective label connected to a photo detector equipped with an optical filter, the output of which is connected to one input of the synchronous detector, the other input which oh connected to the output of the above modulation signal generator, and the output of the synchronous detector is connected to the information processing unit, characterized in that
the read head contains a laser focusing system for exciting NV centers in the mark, configured to create a focal spot on the mark surface, strongly elongated in the direction of motion and having a smooth intensity distribution profile along the indicated direction, and that
the reading head is equipped with a system of microwave excitation of the mark made in the form of a half-wave short-circuited segment of a two-wire line located along the direction of movement of the mark so that the focal spot is near the short-circuited end, and that
the reading head is equipped with a system for collecting the fluorescence of the mark in the form of a linear array of optical fibers placed so that their ends are aligned along the line parallel to the direction of the mark and are directed to the specified focal spot.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система фокусировки содержит по меньшей мере один астигматический элемент.2. The device according to p. 1, characterized in that the focusing system contains at least one astigmatic element.3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве астигматического элемента используют, например, цилиндрическую линзу, зеркало или фазовый элемент (линзу Френеля).3. The device according to claim 2, characterized in that, for example, a cylindrical lens, a mirror or a phase element (Fresnel lens) is used as an astigmatic element.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отрезок, вдоль которого выстроены торцы оптических волокон, имеет длину, равную или большую, чем длина фокального пятна вдоль направления метки.4. The device according to p. 1, characterized in that the segment along which the ends of the optical fibers are aligned has a length equal to or greater than the length of the focal spot along the direction of the mark.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торцы волокон расположены от фокального пятна на расстоянии 0.5-6 мм, предпочтительно 1-3 мм.5. The device according to p. 1, characterized in that the ends of the fibers are located from the focal spot at a distance of 0.5-6 mm, preferably 1-3 mm6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что волокна имеют числовую апертуру от 0.25 до 0.6.6. The device according to claim 1, characterized in that the fibers have a numerical aperture from 0.25 to 0.6.7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для детектирования используют метки, движущиеся со скоростью 1-20 м/с.7. The device according to p. 1, characterized in that for detection using tags moving at a speed of 1-20 m / s.

Images