专利名称：红外上转换材料的检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外上转换材料的检测方法及其实现装置，特别适用于防伪检测、商品分类及隐形信息存储探测等场合应用。
背景技术：
用红外光来激发一种材料，产生可见光，材料吸收双光子或多光子，产生的可见光的光子能量高于激发光的光子能量，这一过程称为上转换过程(UP CONVERSION)。附图1给出了上转换过程的原理示意图。
尽管上转换现象早在1959年就曾在多晶ZnS中观察到，但由于早期的最好的上转换材料发光效率不超过1‰，并且由于发光二极管的发射峰与上转换材料的激发峰匹配不甚理想，因此并未达到实用化的水平，90年代初，由于大功率LD的出现及日益成熟，同时在室温下，在氟化物晶体成功获得了激光运转，光-光转换效率超过1％，从而使红外激光上转换材料在显示、光计算和信息处理等领域显示了广泛的实用前景。
上转换材料发光的光子的能量比所吸收的光子的能量高，发射的高能量光子是通过吸收多个低能量光子激发而产生的，由于稀土元素的4f能级有广泛的跃迁能级，因此目前国内外常用的高效上转换发光材料均为稀土化合物或稀土掺杂材料。稀土化合物是将稀土作为材料的主要组成成分(如Ba2ErCl7，BaLn2F8等)，发光效率高，成本高昂，仅用于激光输出材料；而稀土掺杂材料则以氧化物、氟化物、氯化物和硫化物为基质材料，在基质材料上进行稀土掺杂，实现上转换发光。目前，已能合成出红、绿、蓝光的上转换材料，所合成的体系有硫化物掺杂稀土元素体系和氟化物掺杂稀土元素体系。
由于用红外上转换材料配置的油墨是无色的，而激励的红外光源也是人眼看不见的，因此这种材料显然具有基本的防伪标识功能，与目前广泛使用的紫外激发发光标识材料相比，红外上转换标识材料合成成分复杂，技术要求高，难以仿造，1997年，红外防伪技术被列入中华人民共和国国家标准的10项防伪技术(GB/T17004-1997)。使用高效率上转换材料和价格比较低廉的红外激光器实现其发光过程，达到标识、防伪的目的，因其隐蔽性好，使用寿命长，材料制备技术难度高，不易被仿制，是一项技术含量极高的防伪技术，可应用于图书发行、各类名牌商标、品牌产品的包装以及证件和银行卡、信用卡甚至人民币的防伪，还可满足其它特种行业的标识防伪要求。
红外上转换材料的检测主要用半导体红外激光器(LD)，选择激光器的波长处于材料的激发灵敏区，激光的功率以及光束焦点大小将会影响到材料向可见光转换的效率。附图2给出了用半导体红外激光器对上转换材料进行激发而发出可见光的照片。
然而，目前对红外上转换材料的检测，停留在用红外激光器激发后采用肉眼观察的阶段，由于检测局限于人工判断，通常只能做出有无红外上转换材料的定性判断结果，因而，用于防伪时，局限性较大，一旦制假者掌握有红外上转换材料，即可使防伪失效；同时，这种单纯的定性判断也无法进一步扩展红外上转换材料的应用范围。
发明内容
本发明目的是提供一种红外上转换材料的检测方法，通过这种方法可以采用计算机对红外上转换材料进行定量检测，并能判断利用红外上转换材料形成的色彩或位置的编码组合，从而增强防伪性能，并使采用红外上转换材料的隐形信息存储成为可能；本发明进一步的目的是，提供一种实现对红外上转换材料进行定量检测的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种红外上转换材料的检测方法，将红外激光器发出的红外光束聚焦到红外上转换材料的表面，使反射光入射到可见光探测器上，由探测器将光信号转换成电信号，经放大后输出数字信号。
上述技术方案中，所述“红外激光器”是指发出波长范围为850nm-1550nm的红外光的激光器，通�？梢圆捎冒氲继搴焱庀呒す馄�(LD)，该红外激光器发出的红外光应聚焦在红外上转换材料的表面，使材料受到高强度红外光激发后，将红外光部分转换成可见光，供探测器检测；所述“可见光探测器”是指在可见光区有较高的光谱响应，而在红外激发光下的探测灵敏度很低的探测器，探测器不会因反射的红外光的干扰而影响检测结果；所述“数字信号”是指表达可见光的强度的信号，既可以是一位的信号，用于表达可见光的有无，也可以是用于表达可见光强度的多位数字信号，该信号能被计算机接收并分析，这里的计算机既可以是通用的PC机，也可以是专用机(如收银机)，还可以是单片机系统，只要包括有处理器即可。
上述技术方案中，为进一步减少背景光的干扰，在反射光入射到可见光探测器前，可以经过窄带滤波，使得只有指定波段的光信号能被该探测器检测到。
进一步的技术方案，用于多波段的上转换材料的检测，包括有至少两组探测系统，每组探测系统能检测不同波段的光信号，并经转换后由计算机比较其强度比例。
实现上述检测方法的红外上转换材料的检测装置，包括红外线激光器和透镜，被检测材料位于所述红外线激光器发射的红外光经过透镜形成的聚焦点上，还包括有可见光探测器，所述可见光探测器位于反射光的光路上，其输出端与A/D转换器连接。
上述技术方案中，可以在可见光探测器前设有窄带滤光片。窄带滤光片(又称窄带滤光器或滤波器)的最高透过率应对应于上转换材料激发后发出的可见光波段，在其他波段下，尤其在其它的激发波长下，滤光片应具有极低的透过率，使得滤光片仅能通过一种波段的光波。一般地，由于上转换材料的光-光转换效率在％左右，因此，窄带滤光片在可见光专用波段的峰值透过率应高于80％，在红外波段下的透过率在0.1％以下。
上述技术方案中，当用于多波段红外上转换材料的检测时，设有至少2组探测装置，每组探测装置分别由窄带滤光片、可见光探测器和A/D转换器构成，其窄带滤光片的最高透过率分别对应于红外上转换材料发出的多个可见光波段。
上述技术方案中，常见的情形是设有3组所述探测装置，其检测波段分别为红光、绿光、蓝光。
上述技术方案中，还可以包括有积分球，所述积分球位于红外激光器光路与红外上转换材料的表面间，所述探测装置中的窄带滤光片与积分球表面接触。积分球的作用是，第一，保证入射光束聚焦到上转换材料表面上，使激发出的可见光最强，第二，从材料上反射的光线，除直接入射到探测器上的光以外，其他的光线通过积分球多次反射，不仅使得入射到探测器上的光强均匀化，也增加探测器上光线的强度。
另一种实现上述检测方法的红外上转换材料的检测装置，包括红外激光器、窄带反光片、显微镜和可见光探测器，所述红外激光器发出的红外光经窄带反光片反射后，通过显微镜聚焦在上转换材料表面，可见光反射回显微镜，并透射过窄带反光片，所述可见光探测器位于窄带反光片的透射光路上，可见光探测器的输出端与A/D转换器连接。
上述技术方案中，当用于多波段红外上转换材料的检测时，在所述窄带反光片的透射光路上，设有至少2个不同波段的窄带反光片，在其反射光路上分别设有可见光探测器及相应的A/D转换器，为进一步减少干扰，可以在每个可见光探测器前设置相应的窄带滤光片。
在应用时，可以将红外上转换材料按一定比例掺和到无色透明油墨中，然后，印到印刷品上，掺和比例应该使得材料的发光强度达到或高于检测器的探测灵敏度。目前通常使用的红外上转换材料是在单一红外激光下激发，产生单一波段可见光(如红、绿、蓝等)；为增强防伪或信息携带性能，也可以使用多波段发光(可见光)上转换材料，所谓的多波段发光红外上转换材料是指在单一红外激光激发下，具有同时转换两种以及两种以上波段的可见光的性能。利用本发明的方法进行检测，可由单片机或通用计算机进行处理，与存储的数据进行比较，作出真伪判断。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.由于本发明能够将红外上转换材料激发出的可见光转换成计算机可处理的数字信号，因而可以对红外上转换材料及其编码等直接处理，因而使红外上转换材料防伪检测更为方便及有效；2、本发明可以设置多路检测装置，同时检测多个不同波段的激发可见光，因而可以检测多波段发光上转换材料，由于多波段发光上转换材料的合成难度很高，且不同波段的发光比例可以定量检测，因而具有很好的防伪性能。
附图1为红外上转换发光的原理示意图；附图2为红外激光器对上转换材料进行激发的可见光发光照片；附图3为本发明实施例一的结构示意图；附图4为本发明实施例二的结构示意图；附图5为本发明实施例三的结构示意图。
附图6为图5中积分球部分的俯视示意图；附图7为实施例三中窄带滤光片的透过率特性曲线图；附图8为可见光探测器的光谱响应曲线图；附图9为本发明实施例四的结构示意图。
其中[1]、红外激光器；[2]、透镜；[3]、上转换材料；[4]、积分球；[5]、窄带滤光片；[6]、探测器；[7]、单片机系统；[8]、显示器；[9]、窄带滤光片；[10]、探测器；[11]、窄带滤光片；[12]、探测器；[13]、显微镜；[14]、窄带反光片；[15]、窄带反光片；[16]、窄带反光片；[17]、支撑架。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图3所示，一种红外上转换材料的检测装置，包括红外激光器1、透镜2、支撑架17(也可以采用积分球)和探测器6，红外激光器1发出红外光束(如980nm，范围为850-1550nm红外光均可用于激发)，经过透镜2后，照射到上转换材料3上，聚焦点处在材料表面上，由于在焦点上的红外光的强度高，材料受到高强度红外光激发后，将红外光部分转换成可见光，可见光从材料表面反射后，可见光入射到探测器6上，探测器将光信号转换成电信号，经转换和处理，在显示器8上做出真伪判别。
实施例二参见附图4所示，一种红外上转换材料的检测装置，包括红外激光器1、透镜2、积分球4(也可以是支撑架)和探测器6，红外激光器1发出红外光束(如980nm，范围为850-1550nm红外光均可用于激发)，经过透镜2后，照射到上转换材料3上，聚焦点处在材料表面上，由于在焦点上的红外光的强度高，材料受到高强度红外光激发后，将红外光部分转换成可见光，可见光从材料表面反射后，到积分球4，同时，可见光也入射到窄带滤光片5上，经过窄带滤光后入射到探测器6上，探测器将光信号转换成电信号，经A/D转换和单片机处理，在显示器8上做出真伪判别，图中，单片机系统7包括了A/D转换电路、单片机芯片和必要的外围电路。
本实施例的检测装置中，窄带滤光片5的峰值透过率与被激发出的可见光波段的对应是很重要的，即一种检测器将仅探测一类具有相同发光特性的上转换材料，换句话说，探测绿颜色的检测器不能用于检测红色，但对于具有能发绿色光的所有上转换材料，检测器是不能区别的，因此，仅探测单一波段的光强，对于防伪检测来说是远远不够的。
实施例三参见附图5至附图7所示，一种红外上转换材料的检测装置，包括红外激光器1、透镜2、积分球4和三路探测器，红外激光器1发出红外光束，经过透镜2聚焦后，照射到上转换材料3上，聚焦点在材料表面上，材料受到高强度红外光激发后，将部分红外光转换成可见光，可见光从材料表面反射后，到积分球4，同时，可见光也入射到窄带滤光片5、9上，经过窄带滤光后入射到探测器6、10上，探测器将光信号转换成电信号，经A/D转换和单片机芯片处理，得出每个探测器上的强度比例，然后，在显示器8上做出真伪判别。窄带滤光片11和探测器12，作为备用，如窄带滤光片滤除可见光，仅检测红外光的强度，作为可见光探测的外差处理。
在激发过程中，由于材料的转换效率是有限的，仅有一部分红外光的被转换成可见光，大部分的红外激发光仍然被反射，虽然，人的眼睛不能观察到红外光，但是反射出的红外光的光强仍大于可见光光强，因此，必须采取有效措施降低激发光的干扰，在到达探测器以前，过滤掉红外光，将可见光透过。在本实施例中采取了两项措施，第一，采用窄带滤光片，第二，选择在可见光区有较高光谱响应，同时在红外激发光下的探测灵敏度很低的探测器。
其中，窄带滤光片5、9的最高透过率分别对应于上转换材料激发后发出的可见光波段，在其他波段下，尤其在激发波长下，滤波器应具有极低的透过率，使得滤波片仅能通过一种波段的光波。一般地，由于上转换材料的光-光转换效率在1％左右，因此，窄带滤波器在可见光专用波段的峰值透过率应高于80％，在红外波段下的透过率在0.1％以下。附图6中给出了常用的两种窄带滤光片的透过率特性曲线，如窄带滤光片5对应于530-550nm波段，具有很好的透过率，在其他波段下，透过率很低，窄带滤光片9在红色波段具有很好透过率，在其他波段透过率很低，这样，经过滤波后，探测器6、10分别探测到不同光波段的可见光，同时，过滤掉了红外激发光。
附图7给出了选用的探测器的光谱响应曲线。从窄带滤光片5，9的透过的光将处在探测器的光谱灵敏区内，在红外光区，探测器的光谱响应灵敏度很小。
本实施例中，增加探测器与滤波器的数量，同时，增加上转换材料的可见发光波段，该检测器就变成了多波段检测器。
本实施例的检测装置不仅可检测多波段的光强比例，也可分别检测相对应的单一的红色或绿色波段。因此是一种多功能的检测装置。
实施例四参见附图8所示，一种多波段的红外上转换材料检测装置，为双波段共焦荧光检测系统，红外激光束1经过窄带反光片14，该窄带反光片14仅反射红外激发光，激光通过显微镜13聚焦在红外上转换材料3上，材料经过激发，发出双波段的可见光，可见光反射后再返回显微镜13，由于激发出的可见光，不在窄带反光片14的范围，因而，将透过窄带反光片14，经过窄带反光片15(如对应于红光)后，一路光到达探测器6；另外一路，经过窄带反光片16，到达探测器10，探测器的信号经芯片处理后，做出真伪判别。虽然从材料上返回的光中的红外激发光大部分被滤掉，但仍然有一部分光透过窄带反光片14，因此，窄带滤光片5，9将进一步滤除激发光。
窄带反光片15，16具有仅反射对应的光波段，对在波段外的光将全部透过，从而，到达探测器的光，是需要探测的可见光波段，激发红外光被过滤掉，保证了探测的正确性。
本实施例中也可以进一步增加窄带反光片、滤光片和探测器，用作多波段的红外上转换材料的检测。
权利要求
1.一种红外上转换材料的检测方法，其特征在于将红外激光器[1]发出的红外光束聚焦到红外上转换材料[3]的表面，使反射光入射到可见光探测器[6]上，由探测器[6]将光信号转换成电信号，经放大后输出数字信号。
2.如权利要求1所述的红外上转换材料的检测方法，其特征在于在反射光入射到可见光探测器前，经过窄带滤波[5]，使得只有指定波段的光信号能被该探测器检测到。
3.如权利要求2所述的红外上转换材料的检测方法，其特征在于包括有至少两组探测系统，每组探测系统能检测不同波段的光信号，并经A/D转换后由计算机比较其强度比例。
4.一种红外上转换材料的检测装置，其特征在于包括红外线激光器[1]和透镜[2]，被检测材料位于所述红外线激光器[1]发射的红外光经过透镜[2]形成的聚焦点上，还包括有可见光探测器[6]，所述可见光探测器[6]位于反射光的光路上，其输出端与A/D转换器连接。
5.如权利要求4所述的红外上转换材料的检测装置，其特征在于可以在可见光探测器[6]前设有窄带滤光片[5]。
6.如权利要求4或5所述的红外上转换材料的检测装置，其特征在于设有至少2组探测装置，每组探测装置分别由窄带滤光片、可见光探测器和A/D转换器构成，其窄带滤光片的最高透过率分别对应于红外上转换材料发出的多个可见光波段。
7.如权利要求6所述的红外上转换材料的检测装置，其特征在于设有3组所述探测装置，所述3组探测装置的检测波段分别为红光、绿光、蓝光。
8.如权利要求4或7所述的红外上转换材料的检测装置，其特征在于还可以将支撑架做成积分球[4]，所述积分球[4]位于红外激光器[1]光路与红外上转换材料[3]的表面间，所述探测装置中的窄带滤光片与积分球表面接触。
9.一种红外上转换材料的检测装置，其特征在于包括红外激光器[1]、窄带反光片[14]、显微镜[13]和可见光探测器[6]，所述红外激光器[1]发出的红外光经窄带反光片[14]反射后，通过显微镜[13]聚焦在上转换材料[3]表面，可见光反射回显微镜[13]，并透射过窄带反光片[14]，所述可见光探测器[6]位于窄带反光片[14]的透射光路上，可见光探测器[6]的输出端与A/D转换器连接。
10.如权利要求9所述的红外上转换材料的检测装置，其特征在于在所述窄带反光片[14]的透射光路上，设有至少2个不同波段的窄带反光片[15、16]，在其反射光路上分别设有可见光探测器[10、6]及相应的A/D转换器。
全文摘要
本发明公开了一种红外上转换材料的检测方法及其检测装置，其特征在于将红外激光器发出的红外光束聚焦到红外上转换材料的表面，使反射光入射到可见光探测器上，由探测器将光信号转换成电信号，经A/D转换后输出数字信号。本发明可以对红外上转换材料及其编码等直接处理，因而使红外上转换材料防伪检测更为方便及有效；同时还可以检测多个不同波段的激发可见光，且不同波段的发光比例可以定量检测，因而具有很好的防伪性能。
文档编号G01N21/63GK1397795SQ0213813
公开日2003年2月19日 申请日期2002年8月16日 优先权日2002年8月16日
发明者陈林森, 周望, 沈雁 申请人:苏州苏大维格数码光学有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
