Способ защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий

Изобретение относится к способам защиты ценных изделий от подделки и может быть использовано для защиты от подделки музейных ценностей, дорогостоящих лекарственных препаратов, объектов интеллектуальной собственности, банкнот, кредитных и иных ценных бумаг, а также для обеспечения возможности последующего определения их подлинности с использованием технических средств. Технический результат - повышение уровня надежности защиты. При осуществлении способа на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, обеспечивают возможность контроля его наличия и подлинности. В качестве материала защитного средства используют металл, например серебро с электрохимически обработанной до образования шероховатости наноразмерного уровня поверхностью. При этом, в качестве детектируемых информативных признаков защитного средства, используют компоненты фотоактивированного путем лазерной подсветки во время электрохимической обработки ее поверхности «гигантского» комбинационного рассеяния, а возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона и детектирования информативных признаков в оптическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способам защиты ценных изделий от подделки и может быть использовано для защиты от подделки, в том числе предметов культурного наследия, включая картины, ювелирные изделия и др., а также для обеспечения возможности последующего определения их подлинности с использованием технических средств.

Из уровня техники хорошо известны технические решения аналогичного характера.

Так, из уровня техники известны индивидуальные средства защиты документов в виде перфорации, рисунок которой имеет узнаваемые нерегулярности. Перфорацию осуществляют с помощью лазерного луча, исходя из обычного рисунка, при этом управление лазером осуществляют посредством ЭВМ таким образом, что каждая перфорация имеет индивидуальную нерегулярность, зависящую от исходной величины, см., например, описание заявки DE №0368353, B44F 1/12, 1988.

Также из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании патента РФ №2074420, G07D 7/00, G01N 24/08, 27.02.1997. Способ заключается во введении в материал защищаемого предмета или нанесении на него метки, в качестве которой используют стабильный изотоп осмия-187 или его соединение, а определение его наличия осуществляется по ядерным магнитным свойствам. Введение в материал защищаемого предмета или нанесение на него стабильного изотопа осмия-187 может осуществляться в химическом соединении, обеспечивающем постоянную ориентацию магнитных моментов электронных оболочек атомов осмия-187. Данный способ позволяет упростить и удешевить защиту от подделки при обеспечении высокой степени защищенности.

Вместе с тем, из уровня техники известен способ защиты от подделки ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2144216, G07D 7/00, G07D 7/06, G06K 19/08, 10.01.2000. Согласно данному способу в качестве средства защиты используют изотопный индикатор на основе смеси стабильных изотопов. Защитную метку формируют посредством упомянутого изотопного индикатора таким образом, чтобы обеспечивалась возможность контроля ее наличия на защищаемом изделии (при детектировании) по меньшей мере одним из методов спектрального анализа (например, рентгенофлуоресцентным или люминесцентным методами). Данная защитная метка может быть сформирована непосредственно на защищаемом изделии или независимо от него в любом известном виде и по известным технологиям.

Кроме того, из уровня техники известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документов, например GB 1193511, JP 9119867, US 4533244.

Помимо этого из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2276409, G07D 7/06, G06K 19/14, 10.05.2006. Согласно данному способу на изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, которая обеспечивает возможность контроля наличия и подлинности упомянутого средства физическим методом анализа по резонансным эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующим электромагнитным излучением заданной радиочастоты и детектирования параметров определенных информативных признаков в резонансном отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим сопоставлением зарегистрированных параметров этих информативных признаков с эталонными значениями. В качестве пассивного защитного средства используют металлизированную, по меньшей мере, трехслойную резонансную фильтровую структуру. В качестве зондирующего излучения используют радиочастоту СВЧ-диапазона, в качестве информативных признаков используют характерные пиковые значения частотной характеристики коэффициентов прямой передачи и обратного отражения.

К недостаткам всех приведенных выше аналогов следует отнести их недостаточную надежность. Это связано, прежде всего, с тем, что современный уровень развития вычислительной, аналитической и множительной техники позволяет воспроизвести с высокой степенью идентичности практически любую ценную бумагу в неограниченном количестве при сравнительно небольших материальных затратах.

Также из уровня техники известен способ защиты от подделки и контроля подлинности ценных изделий, раскрытый в описании к патенту РФ №2325700, G07D7/06, 08.02.2007, в котором на ценном изделии в качестве материала защитного средства используют металл с электрохимически обработанной поверхностью с образованием шероховатостей наноразмерного уровня, в качестве детектируемых информативных признаков используют компоненты формируемого такой поверхностью «гигантского» комбинационного рассеяния, а возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является существенное повышение уровня надежности защиты от подделок и копирования ценных изделий.

С этой целью предлагается использование нелинейно-оптического эффекта фотоактивации гигантского комбинационного рассеяния света.

При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов, один из которых заключается в повышении степени сложности выполнения защитного средства на ценном изделии с одновременным снижением возможности его копирования, подделки и изменения.

Указанная задача решается тем, что в способе защиты от подделок и контроля подлинности ценных изделий на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры. В качестве материала защитного средства может быть использован металл (например, серебро) с электрохимически обработанной поверхностью до образования шероховатой поверхности наноразмерного уровня. В качестве детектируемого информативного признака используют стоксовые и антистоксовые компоненты фотоактивированного гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР).

Возможность контроля наличия и подлинности защитного средства в этом случае обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам в процессе внешнего воздействия на него зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона и детектирования информативных признаков в оптическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие.

Явление комбинационного рассеяния (КР) света заключается в появлении в спектре света, рассеянного средой при ее возбуждении монохроматической накачкой, новых спектральных компонентов, таких, что разности частот этих спектральных линий в спектре КР, называемых стоксовыми ω_st,i и антистосовыми ω_ast,i, и частоты возбуждающего света ω_L, совпадают с частотами внутримолекулярных колебаний Ω_i, набор которых, в свою очередь, является однозначной характеристикой молекул среды. Иными словами, ω_st,i=ω_L-Ω_i и ω_ast,i=ω_L-Ω_i. Механизм появления новых линий в спектре рассеянного света имеет ясную радиофизическую аналогию и связан с появлением новых комбинационных частот (боковых полос) в спектре при модуляции амплитуды электромагнитного колебания основной частоты модулирующим колебанием другой частоты. В случае КР света внутримолекулярное колебание атомов с характеристической частотой Ω модулирует дипольный момент, наводимый в электронной подсистеме молекулы электромагнитной волной излучения накачки [1]

где $$\overrightarrow{d}(t)$$ - осциллирующий и, тем самым, переизлучающий дипольный момент молекулы, $${\stackrel{⌢}{\alpha }}_0$$ - электронная поляризуемость молекулы, $${\stackrel{⌢}{\alpha }}_{ram}=\frac{d\alpha }{dQ}{Q}_0$$ - романовская поляризуемость молекулы, определяющая связь внутримолекулярного колебания с электронной поляризуемостью молекулы, Q₀ - амплитуда внутримолекулярного колебания, $${\overrightarrow{E}}_0$$ - амплитуда волны накачки.

Первое слагаемое в выражении (1) определяет упругое (релеевское) рассеяние света на несмещенной частоте (с измененным только направлением рассеяния). Второе слагаемое ответственно за неупругие романовские процессы.

Интенсивность рассеянного света определяется соответствующими молекулярными восприимчивостями и числом молекул, попадающих в объем рассеяния (которое в свою очередь зависит от плотности вещества, а значит и от его агрегатного состояния). Типичное отношение интенсивности стоксового компонента к интенсивности падающего излучения в конденсированных средах (в жидкостях и твердых телах) составляет I(ω_st)/I(ω_L)=10^-6, что позволяет считать КР весьма слабым эффектом [1].

В 1974 году английский электрохимик М. Флейшман решил увеличить эффективное число молекул, участвующих в рассеянии от монослоя, увеличив площадь поверхности при сохранении площади, освещаемой излучением накачки. Для этого он «прошероховатил» поверхность серебра в электролите (в водном растворе KCl) методом анодного травления, а затем там же в электрохимической ячейке адсорбировал на разросшуюся поверхность серебра монослой молекул пиридина C₅H₅N. М. Флейшману легко удалось наблюдать спектр КР адсорбированных молекул, что он интерпретировал как следствие возрастания эффективной площади монослоя. Однако в конце 1970-х годов выяснилось, что регистрируемая интенсивность КР возрастала в 10⁶-10⁷ раз, в то время как площадь разрыхленной анодным травлением поверхности серебряного электрода увеличивалась только на порядок. Это говорило о том, что интерпретация М. Флейшмана его собственных экспериментов неверна и за наблюдаемым усилением КР может стоять новый нетривиальный эффект, который и был назван позднее гигантским КР (ГКР) [1].

Обратимся к выражению (1), а точнее к входящей в него напряженности поля накачки, которая собственно и вызывает стоксов дипольный момент в молекуле. В традиционном КР на свободных молекулах в объеме среды это напряженность внешнего электромагнитного поля.

Иное дело, когда молекула адсорбирована на поверхности шераховатого металла. В этом случае локальная природа поля, действующего в месте расположения молекулы, становится принципиально важной, так как локальные поля в определенных поверхностных структурах могут возрастать на порядки по сравнению с напряженностью внешнего поля вдали от поверхности металла.

Наиболее значительно локальное поле модифицируется вблизи малых (с размером много меньших длины волны падающего поля λ) металлических частиц. Рассмотрим малую сферическую частицу радиуса R с диэлектрической проницаемостью ε_met(ω), для простоты помещенную в вакуум с диэлектрической проницаемостью ε_vac.=1. Такая сфера может служить электродинамической моделью либо коллоидной частицы, либо элементарного бугорка шероховатости поверхности - в обоих случаях наблюдается ГКР. Пусть на эту частицу падает плоская монохроматическая световая волна

с напряженностью поля Е₀. В электростатическом приближении (R<<λ) эта задача имеет простое решение: напряженность поля (теперь уже локального поля) внутри сферы будет определяться выражением [1]

Для металлической сферы всегда существует диапазон частот ω, в котором ε_met<0. Физический смысл отрицательной диэлектрической проницаемости заключается в том, что на данных частотах объемные электромагнитные волны не могут в такой среде распространяться. При некоторой частоте, иногда называемой резонансной, ε_met(ω_rec)=-2 и как следствие напряженность локального поля Е_loc(ω_rec) на данной частоте существенно возрастает.

Таким образом, интенсивность КР в расчете на одну молекулу, адсорбированную на коллоидной частице или шероховатой поверхности металла в отличие от (1), имеет вид

В выражении (3) появляется квадрат фактора L(ω_st), а поскольку из-за малости Ω имеем ω_st≅ω_L≅ω_rec, то усиление интенсивности КР описывается четвертым порядком резонансного фактора локального поля и может достигать пяти-шести порядков [1].

Нужно отметить, что рассматриваемое усиление находится в полном соответствии с законом сохранения энергии. Такое усиление означает только, что перекачка энергии из возбуждающей волны в волну КР происходит более эффективно при посредничестве металлической частицы (или шероховатой поверхности), играющей как бы роль принимающей (на частоте ω_L) и передающей (на частоте ω_st) антенны.

В работе [2] показано, что интенсивность ГКР может быть существенно усилена при использовании эффекта фотоактивации в процессе электрохимического травления металла для получения шероховатости наноразмерного уровня. Там же представлены результаты исследований фотоактивации ГКР на поверхности серебра в растворе электролита KCl с концентрацией 0,1 моль/л при добавлении 0,05 моль/л пиридина.

Для нанесения на пластинку из серебра шероховатости наноразмерного уровня был проведен цикл анодного травления с плотностью заряда q=100 мКл/см², во время которого поверхность металла освещается лазерным излучением в диапазоне длин волн λ от 488 нм до 632,8 нм.

На фиг. 1 приведены зависимости интенсивности I_Г ГКР от:

а - плотности мощности излучения подсветки - ○ - линия ГКР пиридина с ν=1010 см^-1 (подсветка λ=632,8 нм), - ● - линия ГКР урацила с ν=1642 см^-1 (подсветка λ=488 нм);

б - времени облучения излучением с λ=632,8 нм и W=25 мВт/см² - 1, W=50 мВт/см² - 2 для линии ГКР пиридина с ν=1010 см^-1.

Из сравнения интенсивностей ГКР следует, что коэффициент поверхностного усиления ГКР вследствие активации возрастает в 3-6 раз по сравнению с коэффициентом усиления при темновом цикле [2].

Спектр ГКР пиридина возбуждался излучением He-Ne - лазера с λ=632,8 нм и мощностью 40 МВт. Система регистрации сигнала комбинационного рассеяния состояла из двойного монохроматора ДФС-24 и фотоэлектронного усилителя ФЭУ-79.

Зависимость интенсивности линии ГКР колебания ν=1010 см^-1 молекулы пиридина от плотности мощности излучения подсветки во время нанесения щероховатости имеет пороговый характер: фотоактивация наступает при W>10 мВт/см², затем идет участок линейного роста коэффициента усиления ГКР и участок насыщения. При W>5 10³ мВт/см² наблюдается деактивация ГКР - интенсивность рассеяния падает ниже уровня сигнала при темновом нанесении шероховатости.

Проведенное исследование поверхности серебра на растровом электронном микроскопе не показало заметных изменений в морфологии поверхности (с масштабом 500-1000 А), фотоактивированной при W~50 мВт/см², по сравнению с морфологией поверхности при темновом нанесении шероховатости [2].

Для реализации способа защиты ценных изделий с использованием нелинейно-оптического эффекта фотоактивации ГКР выбирают структуру защитной метки, наиболее подходящую для защищаемого устройства. Могут быть использованы различные известные из уровня техники варианты и способы формирования и нанесения защитной метки.

Поскольку конкретные методы обеспечения скрытности информации в ряде случаев являются охраняемыми сведениями, а их выбор не ограничивает сферу применения предлагаемого способа, предположим, что защитная метка выполняется в виде металлической полоски из серебра.

При использовании нелинейно-оптического явления фотоактивации ГКР, для нанесения информации на защитную метку изготавливают фотошаблон. Как вариант, фотошаблон может быть выполнен, например, в виде штрихкода.

Ниже приводится описание графических материалов по предлагаемому способу, никоим образом не ограничивающих все возможные варианты осуществления заявленного изобретения.

На фиг. 2 приведен вариант технологии изготовления защитной метки.

На фиг. 3 приведен вариант устройства для детектирования защитной метки.

Нумерация элементов блок-схемы устройства, их наименование и используемые далее по тексту сокращения приведены ниже:

1 - кювета с электролитом (КЭ),

2 - электролит (ЭЛ),

3 - фотошаблон (ФШ),

4 - лазер подсветки (ЛП),

5 - защитная метка (ЗМ),

6 - зондирующий лазер (ЗЛ),

7 - пятно луча (ПЛ) ЗЛ,

8 - оптическая призма (ОП),

9, 10, 10-1 - оптические линзы (ОЛ),

11, 11-1 - узкополосные оптические фильтры (УОФ) на частоты ω_st и ω_ast,

12 - защищаемое изделие (ЗИ),

13 - фотоактивированные участки ЗМ (ФУЗМ)

14 - устройство детектирования ЗМ (УДЗМ),

15, 15-1 - фоторегистрирующие устройства (ФРУ),

16 - электронно-вычислительное устройство (ЭВУ),

17 - монитор ЭВУ (МЭВУ),

18 - электромеханическое устройство (ЭМУ),

ω_L ω_st и ω_ast - частота излучения ЗЛ, частоты стоксового и антистоксового компонентов ГКР соответственно,

θ_ωL θ_st, θ_ast - полярные углы лучей ЗЛ, стоксового и антистоксового компонентов ГКР соответственно.

При конструировании оптической схемы устройства выбирается такое взаиморасположение оптических элементов схемы, в частности полярные углы θ_ωL, θ_st и θ_ast, при которых обеспечивается максимум интенсивности компонент фотоактивированного ГКР.

Ниже приводится пример осуществления изобретения, никоим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.

Заготовку ЗМ (5) из полоски серебра помещают в КЭ (1) с раствором электролита KCl с концентрацией 0,1 моль/л при добавлении 0,05 моль/л пиридина. Сверху заготовки ЗМ (5) помещают ФШ (3).

Подачей напряжения на клеммы А и В (см. фиг. 2) и включением ЛП (4) запускают процессы анодного травления ЗМ (5) в ЭЛ (2) и подсветки участков ЗМ (5) через прозрачные участки ФШ (3). Длительность анодного травления зависит от плотности электролита и не превышает нескольких часов. Для достижения максимальной интенсивности компонент ГКР, длительность фотоактивации выбирается порядка 60 с (см. фиг. 1б).

Рассмотрим процесс детектирования информации ЗМ (5), изготовленной по рассмотренной технологии.

С этой целью ЗМ (5) помещают в УДЗМ (14). Применение ОП (8) в устройстве обусловлено необходимостью обеспечения требуемого «оптического контакта» и необходимой ориентации плоскости ЗМ (5) по отношению к осям зондирующего лазерного излучения и фотоиндуцированной ГВГ.

Начальной вставкой ПЛ (7) ЗЛ (6) помещают в начало ЗМ (5). По сигналу ЭВУ (16) включается ЭМУ (18), которое обеспечивает линейное сканирование ПЛ (7) ЗЛ (6) в направлении, указанном на фиг. 3 широкой стрелкой, связанной с ЭМУ (18).

При нахождении ПЛ (7) ЗЛ (6) на участке ЗМ (5), анодное травление которого происходило в темновом режиме, стоксовый и антистоксовый компоненты ГКР имеют интенсивности, которые регистрируются ФРУ (15) и ФРУ (15-1) и фиксируются ЭВУ (16) как сигналы, соответствующие уровню условного нуля (нет сигнала).

При нахождении ПЛ (7) ЗЛ (6) на участке ФУЗМ (13) ЗМ (5), анодное травление которого происходило в режиме подсветки ЛП (4) (именно это положение показано на фиг. 3), интенсивность стоксового и антистоксового компонентов ГКР в соответствии с фиг. 1 увеличиваются, что также регистрируется ФРУ (15) и ФРУ (15-1). Эти уровни фиксируются ЭВУ (16) как соответствующие уровню условной единицы (есть сигнал).

На основе информации с ФРУ (15) и ФРУ (15-1) (есть сигнал, нет сигнала) и ЭМУ (18) о линейном положении УДЗМ (14) относительно начала сканирования, ЭВУ (16) формирует электронную версию штрихкода и выводит результат на МЭВУ (17).

Современный уровень техники позволяет выполнить оборудование для детектирования защитной метки как в стационарном, так и в переносном вариантах.

В качестве фотоаппаратуры, регистрирующей стоксовый и антистоксовый компоненты ГКР, может быть использован, например, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или иное устройство, например, на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Оптические линзы (9, 10, 10-1), ОП (8) и УОФ (11, 11-1), настроенные на пропускание стоксового и антистоксового компонентов ГКР, особенностей не имеют.

В качестве лазера подсветки ЛП (4) может быть использован лазер с плотностью мощности W~25-50 мВт/см² в диапазоне длин волн λ от 488 нм до 632,8 нм.

Для наблюдения стоксового и антистоксового компонентов ГКР может быть использован He-Ne лазер (ЗЛ (6)) с λ=632,8 нм и мощностью ~40 МВт.

Последовательность работы УДЗМ (14) и идентификацию подлинности ЗИ (12) обеспечивает программа ЭВУ (16).

Таким образом, применение предлагаемого способа делает незаконные попытки визуальной или технической (в том числе с применением растрового электронного микроскопа) идентификации, копирования или изменения информации защитной метки практически невозможными. Техническим результатом использования предлагаемого способа является обеспечение гарантированной защиты ценных изделий от подделки, а также обеспечение автоматического определения их подлинности с высокой достоверностью.

Литературные источники

1. Акципетров О.А., Мишина Е.Д. Фотоактивация гигантской второй гармоники и гигантского комбинационного рассеяния света // Письма в ЖЭТВ. - 1983. - Вып. 9. - Т. 38.

2. Акципетров О.А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов // Соровский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7. - №7.

1. Способ защиты от подделки ценных изделий и контроля их подлинности, при котором на ценном изделии формируют пассивное защитное средство заданной структуры, обеспечивают возможность контроля его наличия и подлинности, отличающийся тем, что в качестве материала защитного средства используют металл с электрохимически обработанной до образования шероховатой поверхности наноразмерного уровня и фотоактивированной поверхностью, при этом в качестве детектируемых информативных признаков используют компоненты гигантского комбинационного рассеяния, формируемые на фотоактивированной поверхности металла в процессе внешнего воздействия на нее зондирующего электромагнитного излучения видимого оптического диапазона, а возможность контроля наличия и подлинности защитного средства обеспечивают методом анализа по оптическим эффектам и детектирования информативных признаков в оптическом отклике защитного средства на упомянутое внешнее воздействие с последующим автоматическим и визуальным сопоставлением зарегистрированных параметров информативных признаков с информативными признаками, содержащимися в базе данных средств детектирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фотоактивацию поверхности металла проводят в процессе электрохимической обработки поверхности защитного средства путем воздействия на поверхность защитного средства электромагнитного излучения видимого оптического диапазона.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве воздействующего при фотоактивации поверхности защитного средства электромагнитного излучения используют лазерное излучение в видимом оптическом диапазоне длин волн.