发光安全特征及用于对其进行检测的方法和设备与流程
本发明涉及一种发光安全特征、一种验证该安全特征的方法以及一种执行该验证方法的设备。
现有技术
在各种经济技术领域中假冒原产品的问题不断增加。新技术允许大量复制原件，其质量使得用肉眼很难或根本无法区分复制品与原件。受影响的不仅是奢侈品，还包括技术设备的部件，例如在汽车制造、医疗技术或电子工业领域的技术部件，有时还具有与安全相关的特性。
为了防止此类产品盗版，许多生产商为其产品提供安全特征(也称为标识特征或id特征)。安全特征用于检查产品的真实性或跟踪产品从生产地点到最终客户的路径。这种安全特征能够例如基于颜色、荧光或其他物理特性而产生。现有技术中已知各种类型的安全特征，从通过形成在贴纸上或产品本身上的全息图的简单贴纸到嵌入在产品材料中的特殊成分。
复杂的安全特征能够使生产商识别生产批次、甚至单个或个别产品。它们还能够包含元数据，如生产日期和生产地点、失效日期以及编码形式的类似数据。因此需要越来越复杂的安全特征。
已经针对安全特征的复杂程度建立了简单的术语。如果可以借助自然感官(即不需要辅助设备)分析特征以进行认证和/或识别，则可以是指1级特征(第一级特征、第一级安全特征)。例如，安全线表示第一级特征。第二级特征(2级特征、第二级安全特征)需要简单的辅助设备进行分析，如放大镜或紫外线灯。第三级特征(3级特征、第三级安全特征)需要使用大量设备和/或专业操作人员进行取证分析。
第一级特征通常非常适合作为消费者的初步检查类型，但通常不允许从较大系列中识别单个产品。此外，第一级特征对伪造者来说是仿真该特征很容易的挑战。与此相反，智能第二级特征在系列级别或单个物品级别下的认证提供了成本可接受且操作简单的良好折中的可能性。
特别地，现有技术中已知基于荧光染料的安全特征。
因此，美国专利第5,608,225号公开了一种检测荧光标记的方法，其中使用强度周期性变化的激发光照射该标记。相应地，标记发出的荧光的强度也会周期性地变化，其中荧光强度的相位相对于激发光强度的相位移动。为确定标记是否为荧光标记，提出在使用强度调制的激发光照射时，检查标记是否以这种方式发射相位偏移的光。此外，提出测量相位偏移的绝对值以确定标记所含荧光材料的类型。
wo95/09499a1公开了一种用于认证对象的方法，其中也使用周期性强度调制的激发光照射荧光标记。为了表征从对象反射的荧光，确定荧光的各种性质，其中尤其是激发光和荧光之间的时间偏移。
us2015/0260653a1提出了一种安全特征，其包括具有不同寿命的发光材料混合物。通过对激发后的衰减光谱的分析，能够推断出所用的材料。通过使用激发光照射激发安全特征，然后结束照射，随后记录荧光强度的时间曲线，在时域内对衰减光谱进行测量。
从完全不同的技术领域，即生命科学领域，已知一种称为荧光寿命成像显微技术(简称flim)的方法。荧光寿命成像显微技术是一种使用在不同理化环境下具有不同荧光寿命的荧光标记物的成像方法。因此，荧光标记或多或少用作局部化学探针。为了成像，对样品表面的荧光寿命进行空间分辨测量。由此能够推断所用荧光标记物理化环境的空间变化。通过这种方式，flim使得能够确定活体细胞、组织和模型有机体中的ph值、离子浓度、氧含量等变量的空间分布。此外，通过确定
us2007/0018116a1公开了一种用于对发光样品进行成像的设备，其特别适用于荧光寿命成像显微技术。该设备具有使用激发光照射样品的光源。光调制器周期性地调节激发光的强度。具有多个像素的空间分辨锁定成像仪检测由样品发射的冷光，并逐个像素地确定激发光调制和冷光之间的相位偏移的尺度。由此能够得出荧光寿命的空间分布。
技术实现要素：
第一方面，本发明的目的是提供一种基于发光染料的安全特征，该安全特征适合设计为二级特征，其中，安全特征特别允许编码信息项，这些信息项可用于例如在系列级或单个物品级的识别，但这些编码的信息项不能用肉眼读取。
权利要求1中规定了这种安全特征。从属权利要求中规定了其他实施例。
因此，提供了一种具有多个发光表面元件的安全特征，其中每个表面元件的发光寿命都是可确定的，其中，表面元件的发光寿命不同。换句话说，并非所有表面元件的发光寿命都相同，但至少有一个表面元件的发光寿命不同于相邻表面元件的发光寿命。
在发光中，物理系统通过吸收能量进入激发状态并发光。发光现象通常包括荧光和磷光。术语“光”被理解为红外范围、可见范围和紫外线范围内的电磁辐射，特别是在100纳米到10微米的波长范围内的电磁辐射。
在终止激发后，具有单一发光染料的样品的发光强度的时间分布i(t)通常可以用以下等式近似描述
i(t)＝i0exp(-t/τ)(等式1)，
其中，i0为初始强度，τ为发光寿命。
特别是在荧光的情况下，荧光寿命往往不能用肉眼确定，因为荧光寿命通常在皮秒到微秒的范围内，因此低于肉眼可分辨的时间尺度。但是，下文会详细解释，荧光寿命的空间分布图像可以通过技术辅助生成。因此，根据本发明的安全特征非常适合作为第二级特征。
特别地，如果两个发光寿命相差5％以上，优选相差10％以上，则认为它们是不同的。用数学方式表示，在任何情况下，如果下列情况成立，则认为两个发光寿命τ1不同于τ2，其中τ2>τ1：(τ2–τ1)/τ1>5％，优选>10％。当然，在实践中，发光寿命之间的差异也能够大得多，例如超过20％。
表面元件的不同发光寿命能够用于编码信息项。例如，可以假设每个表面元件的发光寿命是两个不同值中的一个。这确保通过使用发光寿命对数据进行二进制编码，其中发光寿命的第一值对应于逻辑1，第二值对应于逻辑0。但是，更复杂的编码方案当然也是可能的。
能够生产具有不同发光寿命的表面元件，尤其能够将具有不同发光寿命的发光染料应用于不同表面元件。能够生产具有不同发光寿命的表面元件，特别地，将由两种或更多种发光染料制成的混合物应用于每个表面元件上，其中混合比在表面元件之间变化。根据等式(1)，具有多种发光染料混合物的样品的发光强度的时间分布i(t)对应于多指数衰减的叠加。如果各个发光寿命没有过大的差异，那么这种多指数衰减可以通过单个指数衰减进行良好的近似描述，其中因此近似的单指数衰减曲线的衰减时间表示各个发光寿命的平均值。因此，对于具有多种发光染料的混合物的表面元件，产生单个(平均)发光寿命值。特别地，使用下文讨论的验证方法可以容易地确定该值。
根据本发明的安全特征还能够包含至少两个表面元件，然而，其具有使用相同发光染料的颜色应用，然而其中发光染料的化学环境在表面元件之间不同，使得不同的发光寿命导致表面元件。例如，这能够通过以不同配方在不同表面元件中使用相同的发光染料来实现，其中例如由于其ph值或具有两个不同功能层的两种表面元件，该配方不同，其中相同的发光染料以相同的配方应用于不同的功能层，并且其中功能层对染料的发光寿命有不同的影响。这种方法的一个优点是化学环境通常只轻微影响发光染料的激发频率和发射频率，特别是其可感知的色调。因此，具有不同发光寿命的两个表面元件对于肉眼来说能够容易地看起来是相同的。这使得这种安全特征作为第二级特征特别具有吸引力。
特定参数(如发光寿命)“在表面元件之间变化”的表述在下文中总被理解为意味着所有表面元件中的相关参数不相同，但至少有两个相邻的表面元件，其中相关参数采用不同的值。
表面元件也能够通过其他发光参数而有所不同。因此，对每个表面元件，例如另外能够确定激发频率(相当于：吸收波长)和发射频率(相当于：发光波长、冷光的“色调”)。例如，每个表面元件能够精确承受一种荧光染料，该荧光染料具有特有激发频率和特有发射频率。进而有利的是，另外地，不仅发光寿命而且激发和/或发射频率在表面元件之间变化。这尤其能够通过将不同的荧光染料应用于不同的表面元件来实现。因此，提供了另外的维度，通过该维度能够对数据进行编码。通过发光寿命、通过被分析的表面元件之间发光寿命的变化，给出了第一维度。通过激发频率或发射频率、通过被分析的表面元件之间相关频率的变化，给出第二维度。这种情况下，优选激发和/或发射频率的变化与发光寿命的变化完全不相关，使得激发和/或发射频率能够独立于发光寿命而对数据进行编码。
特别地，如果两个激发或发射频率之间的差异超过5％，优选超过10％，或甚至超过20％，则它们被认为是不同的，其中激发频率或发射频率被认为分别是吸收光或发射光光谱分布中最大值的位置。在可见波长范围(约400-750nm)中，如果相关波长的差异超过5％，即根据波长不同而超过20-38nm，则认为两个激发或发射频率不同。虽然典型发光染料的激发光谱的宽度和发射光谱的宽度通常比该差异大得多，但是吸收或发射最大值位置上的这种差异可以很容易地用光谱法加以解决。在某些情况下，较大的差异也能在视觉上被视为颜色差异。
能够产生另一维度，其中表面元件之间的颜色强度(特别是发光染料在各自的表面元件中的浓度)也不同。优选地，在这种情况下，如果颜色强度的变化与发光寿命的变化完全不相关，则颜色强度就能够独立于发光寿命对数据进行编码。
第二方面，本发明提供了一种特别适用于验证上述类型的安全特征的验证方法。该方法包括：
使用以调制频率进行强度调制的激发光照射安全特征；
在多个像素中检测由安全特征发射的冷光；
确定不同像素中在调制频率下激发光和冷光之间相移的尺度；并且
基于不同像素中相移尺度来验证安全特征。
为了确定发光寿命的空间分布，本发明提出将在完全不同的技术背景下开发的技术原理，即荧光寿命成像显微技术(flim)，转移到完全不同的安全特征验证问题上。
特别地，冷光的检测能够使用锁定成像仪来执行。例如，在美国专利第2007/0018116a1号文件中公开了一种锁定成像仪。所引用文件的内容通过引用完全并入本说明书。锁定成像仪的各种配置和操作模式是已知的。根据美国专利第2007/0018116a1号中所知的锁定成像仪，其特征尤其在于：其具有限定多个像素的检测器以及控制单元，其中像素特别设置成二维阵列，以在强度调制光源和检测器之间建立相位关系。成像芯片像素的至少一部分，优选每个像素，包括：
把入射光转换成电信号的光敏元件；
至少一个存储元件，优选至少两个存储元件，特别地精确到两个或四个存储元件，用于存储电信号；
传输单元，用于将电信号传输到选中的存储元件；以及
读取单元，用于选择性地从像素的一个或更多个存储元件中读出电信号。
这种情况下，传输单元与控制单元相互作用，使得传输单元将电信号与调制频率同步并且相位一致地传输到一个或更多个存储元件。
通过这种方式，可以确定激发光和检测器接收的光之间相移的尺度。
特别地，该传输装置能够包括至少两个ccd栅电极，其中每个栅电极包括用于电势的端子或用于在检测器表面上产生横向电漂移场的其他装置。存储元件能够是集成栅极。进一步的细节，请参考美国2007/0018116a1号文件。
因此在一般形式中，本发明还涉及使用锁定成像仪来验证上述类型的安全特征。
为了验证安全特征，优选地实时地将不同像素中的相移的尺度可视化。因此，或多或少地被制作视频录影，其呈现随时间变化的相移的空间分布。
另外，还能够确定其他参数，这些参数是发光特性。因此，特别地，该方法能够包括：
在不同像素中确定以下参数中的至少一个的尺度：激发频率、发射频率和发光强度，并且
根据不同像素中相移的尺度以及不同像素中至少一个所述参数的尺度，验证安全特征。
在这种情况下，为了验证安全特征，优选地实时地将不同像素中的相移尺度以及不同像素中所述参数的尺度可视化。
另一方面，本发明提供了一种用于验证安全特征的检测单元，特别是检测上述类型的安全特征，该检测单元包括：
用于产生激发光的光源，其中该光源被设计成以调制频率对激发光的强度进行调制；以及
锁定成像仪，其包括多个像素，用于检测由安全特征发射的冷光，该冷光与调制频率同步，并用于确定不同像素中的激发光和冷光之间相移的尺度；以及
接口，其配置成将不同像素中的相移尺度传送给显示分析单元。
通过这种方式，显示分析单元能够根据不同像素中的相移尺度来验证安全特征。
锁定成像仪的设计参考上述说明。
检测单元优选具有外壳，光源和锁定成像仪设置在外壳中。然后，该外壳具有设计成布置在安全元件之上的窗口。检测单元具有成像光学元件，其在这种情况下对设置在锁定成像仪上的窗口之下的安全元件进行成像和聚焦。成像光学元件尤其能够是缩小光学元件，其在锁定成像仪上以缩小的比例对光学焦平面中的对象进行成像。在这种情况下，与荧光寿命成像显微技术(flim)相比，被成像对象的尺寸减小，而不是扩大。聚焦优选地在位于外壳中窗口正下方的区域上进行，尤其是在距离外壳中窗口的平面之下小于30cm、优选地小于10cm、尤其优选地小于1cm的区域。
检测单元优选设计为便携式的，以确保移动地验证安全特征。
除了不同像素中的相移尺度外，还能够将锁定成像仪设计成用来确定以下至少一个参数的尺度：激发频率、发射频率和发光强度。然后，除了不同像素中的相移尺度外，还将该接口配置成将不同像素中的所述参数的尺度传送给显示分析单元。
本发明还提供了一种具有上述类型的检测单元和显示分析单元的验证设备。这种情况下，显示分析单元与检测单元集成形成单个装置或与检测单元分开形成。下面会更详细地讨论示例。检测单元被配置成使得其将由锁定成像仪确定的不同像素中的相移尺度发送到显示分析单元。然后，显示分析单元能够被配置成使得其根据不同像素中的相移尺度生成图形表示。替代地或另外地，显示分析单元能够被配置成使得其根据相移的尺度执行自动验证，并输出验证结果和/或将其中继到服务器。
显示分析单元尤其能够是执行适当应用程序的平板电脑或智能手机。
附图说明
本发明的优选实施例将在下文基于附图进行描述，这些附图仅用于解释，不被解释为限制性的。在附图中：
图1示出了将具有不同荧光寿命的三个表面元件的安全特征可视化的示意图；
图2示出了将具有四个表面元件的安全特征可视化的示意图，其中，这些表面元件由具有不同荧光频率和不同荧光寿命的荧光特征物质制成；
图3示出了部分由荧光特征物质形成的字样的图示，其中荧光物质由字样特定区域中的不同浓度和不同荧光寿命来区分；
图4示出了具有检测单元和显示分析单元的设备的结构示意图；
图5示出了根据第一实施例的具有检测单元和显示分析单元的设备的简化立体图；
图6示出了根据第二实施例的具有检测单元和显示分析单元的设备的简化立体图，其中分析显示单元集成在检测单元的外壳中；
图7示出了根据第三实施例的具有检测单元和显示分析单元的设备的简化立体图，其中显示分析单元设计为智能手机，检测单元设计为用于智能手机的附件；
图8示出根据检测到的两个不同安全元件的荧光衰减时间将荧光特征物质可视化的分布的图表；
图9示出了图像传感器在两个不同相位位置读取的原始数据的图形，该数据是根据具有不同荧光寿命的三个表面元件的安全特征记录的；a部分：在相对相位0°处的图像；b部分：在相对相位90°处的图像；
图10示出了将由此得出的相位差和荧光寿命进行可视化的数据的图表；a部分：相位差；b部分：以纳秒为单位的荧光寿命。
具体实施方式
图1说明了根据本发明的验证安全特征的方法的基本原理。
在本示例中，对象1具有安全特征2，该安全特征2包括由具有不同荧光寿命的荧光特征物质s制成的三个表面元件31、32、33。安全特征2由使用激发光e(t)的光源4照射。激发光e(t)的强度i被在例如20mhz的调制频率下调制。使用激发滤光片(未示出)可选地对激发光e(t)进行光谱选择。
荧光特征物质被激发光激发并发射荧光f(t)，荧光f(t)的强度i在相同调制频率下调制，但相位发生了偏移。这种情况下相移φ依赖于相应特征物质的荧光寿命。因此，对于简单的正弦调制，例如，tanφ＝ωτ适用，其中ω表示调制的角频率，τ表示上述等式(1)含义中的荧光寿命。发射的光f(t)通过对荧光频率(例如535thz(560nm))透明的阻塞滤光片5传导。在下转换或斯托克斯发射的情况下，阻塞滤光片能够是长通滤光片，而在上转换或反斯托克斯发射的情况下，阻塞滤光片能够是短通滤光片。然而，阻塞滤光片也能够是带通滤光片或窄带滤光片。
随后，如此过滤的光到达锁定成像仪6。锁定成像仪6针对每个像素阵列(例如256×256像素)，确定用于每个像素的激发光和荧光之间的相移φ的尺度，并生成相应的信号s(φ)。
在这种情况下，锁定成像仪的构造方式与美国第2007/0018116a1号文件中规定的基本相似。关于这种锁定成像仪的功能的详细信息，参考引用的文件。与所引用的文件相反，本文中的锁定成像仪不是用于生物样品的荧光寿命成像显微镜，而是用于捕获安全特征。因此，本装置与引用文件中的装置的不同之处尤其在于不同的光束引导和不同的输出接口，下文将更详细地描述。根据该实施例，锁定成像仪还能够确保与上述分辨率不同的分辨率，例如以16:10的格式，从cga(320×200像素)到wuxga(1920×1200像素)，其中还可以使用其他格式或其他或更深或更高的分辨率，例如具有格式为16:9的1280×720像素的hd720。根据该实施例，帧速率为24至240fps(帧每秒)，优选60至150fps。
信号s(φ)由下游电子单元处理，并在接口处提供，使得其能够通过显示分析单元7(例如智能手机)可视化地显示为图像8。在这种情况下，将在锁定成像仪6的捕获区域内的特征物质的荧光寿命分布作为像素图形呈现到显示分析单元7上成像仪的分辨率范围内。
各个表面区域不仅能够通过其发光寿命来区分，而且能够通过其发射频率来区分。这在图2中以示例的方式示出。在图2的实施例中，安全特征2包括四个表面元件31-34，其中每个表面元件一方面由其荧光寿命表征，另一方面由其荧光波长表征。因此，荧光寿命和荧光波长的唯一组合能够与每个表面元件相关联。例如，每个表面元件的荧光寿命能够假定为两个不同值中的一个(因此使得荧光寿命编码为二进制位1或0)，并且每个荧光波长也能够独立地假定为两个值中的一个(因此编码为另一个位1或0)。总的来说，所示出的由四个表面元件构成的安全特征因此能够实现24×24＝256位的编码。这样编码的位的数量能够通过更大数量的表面元件和/或为荧光寿命和/或荧光波长选择的更大数量的值更容易地进一步增加。因此，能够很容易地实现到单个物品级别的个体化。
不仅要以空间分辨的方式确定荧光寿命，还要分辨荧光波长，在图2的示例中提供了窄带滤光片9(即高选择性彩色滤光片)，其补充或可选地替换阻塞滤光片5。对于各种荧光波长的测量，滤光片9在每种情况下都被高选择性的彩色滤光片所取代，该彩色滤光片在所需波长下是可透射的。滤光片5和/或9能够直接定位于锁定成像仪上。可选地，也可以将多个像素(例如2×2相邻像素)组合成一组，并在每组像素上提供不同的彩色滤光片，以类似于在用于摄影的传统感光芯片中用已知的beyer滤光片实现的方式实现波长选择性。可选地，可以使用单色仪，例如基于光学棱镜或光栅单色仪，以实现波长选择性。这种情况下，能够通过电气控制信号改变单色仪的透射波长，以依次在不同的荧光波长下对荧光寿命进行空间分辨成像。
通过这种方式，在显示分析单元7中能够生成图像8，该图像既对荧光寿命的分布(图2中用信号s1(φ)、s2(φ)表示)进行了可视化，也对荧光波长的分布(图2中用信号f1(t)、f2(t)表示)进行了可视化。在本例中，每个表面元件在图8中用四个像素81表示。在本例中，每个像素由四个值对(f1,φ1)、(f1,φ2)、(f2,φ1)和(f2,φ2)中之一来表征。例如，能够为每个值对指定不同的颜色，用于这些值对的可视化。替代地，荧光波长能够通过不同的颜色可视化，而荧光寿命通过这些颜色的不同饱和值可视化。还可以为参数荧光波长和荧光寿命显示两个单独的图像。当然，还有很多执行可视化的其他方法。
例如，如果特征物质的浓度另外也在表面元件之间变化，则这可以另外通过不同的颜色强度来表示。总的来说，由此产生具有特征着色和形状的图像，这使得能够在回放设备的显示器上简单地视觉识别特征物质，并且因此简单地对安全特征和/或由其标记的对象进行视觉验证。
可选地或另外地，验证也能够由回放设备上的应用程序自动执行，并以真实/伪造的说明显示给观察者。验证结果能够选择性地传输到远程服务器，或者图像数据能够传输到服务器，以在那里执行验证并将结果再次传输回回放设备。
图3以图形的形式示出了安全特征的示例，它呈现为“genuine”字样。这种情况下字样的区域111、112、121、122由不同浓度的不同荧光特征物质形成，中间字母“u”由非荧光油墨形成。荧光寿命在每个区域111、112中是恒定的，但在这些区域之间是不同的。同时，特征物质的浓度(以及因此感知到的颜色强度)在每个区域121、122中都是恒定的，但在这些区域之间有所不同。genuine一词的前三个字母的荧光寿命因此与后三个不同，而荧光字母的上半部分的荧光强度不同于下半部分的荧光强度，例如明显强于下半部分。锁定成像仪捕捉不同参数荧光寿命和荧光强度。回放设备以适当的方式直观地显示荧光中这些参数的空间分布。由于特征物质的固有颜色，整个字样也可以用肉眼阅读。然而，在这种情况下无法识别前三个字母的荧光寿命与后三个字母的荧光寿命不同。这种差异只能通过使用锁定成像仪记录来识别。
当然，这种图形还能够通过荧光频率的另外的区别特征变得更加复杂，其中显示分析单元7能够将荧光频率和寿命可视化。
作为示例，图4示出了用于验证安全特征的设备的示意性功能图，其中该设备对安全特征的特征物质的荧光进行二维捕获，该荧光相对于调制激发光发生相位偏移。该设备包括检测单元23和显示分析单元7。检测单元23的一部分密封在外壳15中，不透光。
检测单元23的外壳15内部包括强度调制的光源4，例如以强度调制方式操作的led。光源发出的光通过用于光束引导的光学器件14到达外壳15中的窗口151。该光照射位于窗口151下方的安全特征3。直接从安全特征反射的光到达光阱16，在光阱16处被吸收。安全特征3发出的荧光通过上述滤光片5、9和成像光学元件24到达上述锁定成像仪6。这种情况下，波长滤光片9例如能够实施为具有不同传输波长的多个滤光区域的可替换插入滤光片或滤光轮，以选择性地连续地将不同波长范围的荧光传输到锁定成像仪。如上所述，另一选择是在锁定成像仪6的每个像素上提供滤光层，使得为每个像素分配特定的滤光片，并且因此可以同时捕获多个发光频率，或者提供单色仪。
当然，检测单元还能够包括其他部件，例如用于提供定义的光束几何结构并用于提高激发和荧光的光束质量的光学元件。例如，光源4的光线能够加宽，使得检测器单元的窗口151尽可能被均匀地照亮。另一方面，荧光的光束将被缩小到锁定图像芯片的尺寸，其中应尽可能避免光束横截面的几何变形，同时确保对安全元件的聚焦。上述成像光学元件用于此目的。
来自锁定成像仪6的不同存储位置的电荷耗散的信号的工作周期受时间控制约束，时间控制基本上由激发光的调制触发，这些信号在下游控制单元17中进行处理，使得它们能够作为图像数据提供给显示分析单元7。图像数据以足够高的重复率输出，它们可以组合成视频数据和/或通过流单元提供给显示分析单元7。因此，能够参考捕获发光数据及其图像再现的实时方法。
显示分析单元7能够例如是智能手机或平板电脑，其中该单元执行合适的应用程序来接收和显示数据。这种情况下，数据能够通过电缆接口19(例如usb适配器)或以适当的无线标准(例如蓝牙或wlan)的无线适配器18经由电缆191或无线地(无线链路181)传输到显示分析单元7。显示分析单元7由人20操作，并且输出图像由此人进行评估。
图像和/或视频数据还能够通过网络21中继到中央服务器22，例如通过因特网或其他类型的电子远程数据传输，如gsm或lte。数据还能够从服务器22传输到显示分析单元7。这些数据例如能够与应用程序的新软件相关，或者与使用安全特征保护的产品的补充数据相关。分析单元和服务器之间的数据传输能够在验证过程中在线进行，或者在稍后的时间点在分析单元和服务器同步时进行。然而，也可以单独进行离线验证，其中所有相关数据都存储在显示分析单元7中。电源可以通过内部或外部电源单元或电池部件以任意方式提供，其中能够考虑使用接口电缆(例如usb电缆)为电池部件充电。
验证设备的各种外壳概念如图5-7中的示例所示。根据图5所示的检测单元23的尺寸使得能够用一只手轻易地移动检测单元23到待验证的对象上方，同时窗口151朝向具有安全特征的对象。本文中智能手机的形式的显示分析单元7通过电缆或无线连接到检测单元23以进行数据传输。当然，如图6中所示，还可以将检测单元23和显示分析单元7组合到一个手持外壳中。由于检测单元23的小型化，最终可以将其作为模块安装到显示分析单元7上。因此，检测单元23类似于智能手机上的摄像头附件。当然，如图7中所示，还可以设想将检测单元直接插入μ-usb口(android设备)或闪电插座(iphone)上。进一步的结果是，可以设想将检测单元集成到智能手机中。所需的滤光片，如智能手机外壳中的插槽、小型抽屉或隔室中的sim卡或存储卡，是可更换的。
图8示出了借助于锁定成像仪在安全特征2上的相移荧光的真实记录。在这些示例中，荧光特征物质没有均匀分布在表面上，因此剩余的间隙131可识别为斑点。如果安全特征表面覆盖不完全，且荧光特征物质具有随机分布的间隙，则斑点图案可用作单个产品识别的指纹。当然，还可以设想一种方法，其中作为表面元件中的一个或更多个凹口能够用作指纹，该凹口另外覆盖有补充有随机分布的间隔的荧光物质。本申请中，模式识别能够通过智能手机或平板电脑或其他分析设备上的软件执行，或者也能够在服务器上执行，服务器联机分析数据并将结果返回给分析单元，或以隐藏的形式进行分析，即不将其发回，或在下次上载或下次与设备同步后脱机分析，然后再次可选地将验证结果返回给设备。
图9和图10示出了具有三个圆形表面元件31、32、33的安全特征的真实图像，该三个圆形表面元件具有不同的荧光寿命。这种情况下，图9示出了来自锁定成像仪的原始数据的表示，该锁定成像仪每像素具有两个存储元件，其中两个存储元件存储由荧光相对于激发光的调制频率在不同相位位置生成的信号。这种情况下，(a)部分示出在第一相位位置(此处指0°)捕获信号的存储元件的信号，(b)部分示出在第二相位位置捕获信号的存储元件的信号，该第二相位位置相对于第一相位位置移动了90°。在这种情况下，不同的信号电平表示为不同的亮度值。从(a)和(b)部分的比较能够看出，原始数据的相对强度在三个表面元件31、32、33之间的两个相位位置0°和90°处不同。
图10示出了荧光和激发光之间的相位差(a部分)和荧光寿命(b部分)之间的空间分布。以下荧光寿命结果：表面元件31为11.2ns；表面元件32为10.5ns；表面元件33为7.2ns。
该示例说明了所描述原理的实际实现是很容易实现的。
因此，在上述实施例中解释的方法用于基于一种或更多种特定特征物质相对于其真实性、特性或来源方面的发光特性来检查对象。这种情况下，特别地，对待验证对象表面元件上的一种或更多种发光和/或荧光特征物质的激发态的寿命进行成像。激发态的寿命或衰减时间用于表征特征物质，其中测量总是在频域中进行。结果是在表面上分布的特征物质的以图像或图形形式的二维表示，其中由于可实现的高帧速率，可以进行实时显示。通过这种方式，具有不同衰减时间的荧光特征物质可以彼此区分，也可以与非荧光物质或非荧光背景区分。
因此，执行对特征物质的荧光寿命或发光寿命的实时测量。同时，执行测量的设备允许在样品表面的所有表面元件上同时进行测量，并即时可视化。原则上，有两种测量方法可用于捕获激发态的寿命，一方面，测量荧光随时间(时域或td)的减少，或者另一方面，在调制光源激发荧光(频域或fd)的情况下，测量通过发射光相对于激发光的相移。fd的优点尤其在于它允许激发源更高的光强度，并因此允许更短的图像记录时间。具有足够高的光谱能量密度的合适的光源，其能够在皮秒范围内脉冲到一个数量级，并且能够在兆赫范围内调制，可以以相对经济有效的发光二极管(led)或激光二极管(ld)的形式获得。这些部件为更紧凑、更具成本效益的设备的构建开辟了道路，这些设备以fd模式获得所需的数据，同时依赖于光源的调制能力
测量调制激发光和发射响应之间的相移确保满足对合理成本的要求，以及满足应用所需的技术边界条件。采用空间分辨检测器，其中该部件也可以是紧凑的结构、低成本、低复杂度的操作电子单元。实际检测器上游的微通道板(多通道板，mcp，也叫mcp-pmt)能够用于检测器部分的广角测量，这确实具有最佳的时间行为，但除此之外，还存在价格高、鲁棒性差、技术外围复杂、噪声水平高以及容易产生伪影等缺点。类似于具有相对简单操作的传统数码相机的紧凑构造的固态检测器代表了作为替代方案的理想解决方案。从所谓的飞行时间摄像机开始，锁定成像仪(锁定芯片、锁定传感器、锁定ccd)被开发为间接测量荧光寿命的传感器。术语锁定成像仪或锁定芯片或锁定传感器表示激发光的调制与检测相位的光敏芯片的工作周期的时间控制的耦合。测量原理包括以下元件：
-光源，其能够相对于激发荧光的光强度进行调制，例如是led或ld的形式
-光敏芯片，其特性是对优选的正弦调制光源的相位位置敏感。合适的芯片结构基于以下原理：每个像素(具有光敏区域的区域)存在两个潜在的电位点(电荷存储位置、存储位置)，其中，它们处于相反的栅极电压下，栅极电压通过激发光源的调制频率进行计时并且以180°的相位角相互移相。在电荷通过相邻的节点消散并产生输出信号之前，这种结构使电磁波的光子能够作为其相位位置的函数，在每种情况下作为电位器中的电荷被收集起来。然而，芯片架构不一定要以这种形式设计。
-传感器被设计成二维阵列，并且因此能够产生二维数据来表示激发和发射之间的相移。
-检测器适用于较宽的频率范围，其能够在不同的工作循环中同时显示不同荧光物质的衰减时间。
-对于每个荧光波长，在应用于检测具有两个或更多荧光波长的特征的情况下，能够在芯片的光敏区域前面使用合适的滤光片，其中滤光片能够位于芯片外部，例如作为插入式滤光片或滤光轮，或者能够相对于芯片形成单独的单元。以商用数码相机的图像转换器芯片上用于生成颜色信息的beyer滤光片的方式，可以在单个像素上或一组像素上将颜色滤光片直接附接锁定成像芯片，以滤除特定的荧光辐射。一系列具有已知像素地址的红、绿像素滤光片确保例如同时捕获红、绿荧光。在foveon芯片作为图像敏感传感器的情况下，如果颜色选择传感器水平能够用于荧光的过滤，则使用颜色滤光片是多余的。
-如果用于透射荧光的滤光片(例如合适的窄带滤光片)不能承担这种阻塞滤光片的功能，则有利地是使用滤光片保护传感器免受激发频率的光的影响。
换句话说，本发明公开了一种设备和方法，该设备和方法适用于验证用于对象或文档的个性化、序列化或认证的发光安全特征。其区别在于，测量安全特征表面元件中至少一种发光特征物质的发光寿命，其中，第一，适当频率的激发光从强度调制的光源发出，并在至少一种特征物质中诱导调制发光，该发光相对于激发光具有相移；第二，通过光敏传感器的工作周期的时间控制依赖于激发光的调制，所述至少第一特征物质发光的相移由光敏传感器检测，所述光敏传感器捕获至少第一表面元件的至少一部分，其中，第一和第二中的元件一起构成检测单元，第三，由分析单元将传感器产生的测量值转换成可用于验证安全特征的形式。
检测器的结构类似于图像敏感传感器并能够代表ccd芯片的特殊实施例，其中图像记录技术也可以设想使用除ccd以外的芯片(cmos架构、foveon架构、量子点技术等)。例如，在a.esposito等人的一篇综述文章中提出了关于这一原则的基本原理(参见2005年11月28日的optexpress；13(24)：9812-21)。根据该原理构建的用于flim应用的设备发布为美国专利第2007/0018116a1号。
除了一种或更多种荧光特征物质的识别参数激发/发射频率及其在样品表面上的空间分布外，化学制剂的性质也可作为用于微调荧光衰减时间的变量。特征物质的荧光衰减时间可能受化学环境的选择的影响，例如受油墨中的ph值的影响。基本原理被称为
因此，在单个物品级别上认证安全特征的要求很容易实现，特别是在安全特征适于检测设备的技术可能性的情况下和/或在对象或文件的验证是为使用检测设备进行验证而特别提供的情况下。在通常的常规情况下，认证方法使用呈现与斯托克斯发射(下转换器)相关联的发光或荧光的特征物质来实施。原则上，还可以对磷光特征物质、具有反斯托克斯发射的特征物质(上转换器)或基于量子点发射的特征物质的发射辐射进行寿命测量。
原则上，对于荧光特征物质的化学性质没有限制。因此，特征物质能够是有机或无机的，也能够是金属或陶瓷性质的，或者是生物分子。本方法的一个主要优点是测量装置和寿命图像显示的整个装置的可携带性。例如，美国专利第2007/0018116a1号公开了通常的实验室方法，该方法设想用于实验室基础设施，并假定经过技术培训的人员对结果进行分析和解释，本文提出的方法适用于在任何地点和任何时间进行。只有极少的用户指令是必要的，因此用户也能是普通的消费者。
为了将用户圈包括到外行人员级别，实现了对检测设备近乎直观的操作。例如，如果认证能够在基于自解释的应用程序上进行，则提供了这样的技术水平。因此，本发明提出了一种用于数据采集的便携式且具有可比成本效益的手持实施例(手持设备)类型的设备，以及一种易于获得的用于图像显示的设备，例如智能手机或平板电脑，其具有外行可理解的操作的应用程序。
该操作适用于部分或完全自动化。能够以已知的方式无线连接到移动的图像或视频显示单元(例如智能手机)，例如通过蓝牙或设备集中的wlan来连接，或通过标准电缆，例如usb电缆来连接。操作所需的智能手机或平板电脑不仅提供可视化功能，而且还包括商标保护中有时需要的选项。这些选项例如能够通过设备标识(udid)或地理数据和时间点的捕获来跟踪用户，以捕获验证的位置和时间点。这些数据或说明原则上是任意的，原则上来自不同的来源，完全或部分地组合成加密或未加密的报告，为监测商标侵权的传播途径提供了越来越重要的信息。因此，可以在销售点(pos)或产品仓库对产品进行认证，也可以在购买时例如确定产品的生产日期。使用根据本发明的方法收集的数据另外开辟了物流和市场营销的使用途径。另外使用的智能手机或平板电脑能够连接到中央服务器，以集中存储和分析验证结果。此外，可以通过服务器连接进行可能需要的软件更新，而无需操作员的操作，这一方面提高了测量和分析的可靠性，另一方面将用户从繁琐的系统维护操作任务中解脱出来。当然，还可以将这些功能，包括连接(互联网连接)，从智能手机转移到检测设备本身。该应用程序的另一种操作变体是将操作的一部分或整个操作转移到与智能手机相连的设备上，例如手表，如转移到与iphone相连的iwatch上。原则上，图像显示能通过显示器执行，并且分析也能在具有锁定成像仪本身的检测器单元中执行，或多或少由在一个外壳中的检测单元和智能手机或平板电脑的组合来执行。相比之下，如果检测单元集成到智能手机或具有适当摄像头附件的智能手机中，则有利于应用与衰减时间相关的相移的二维测量或可视化。
下面将再次简要概述本公开提供的若干主题：
(a)用于验证对象或文档的个性化、序列化或认证的发光安全特征的设备，
其中测量了包含在安全特征的至少一个表面元件中的至少一种发光特征物质的发光寿命，
其中，第一，适当频率的激发光由强度调制的光源(4)发出，并在至少一种特征物质中诱导调制的发光，所述发光相对于所述激发光具有相移，
其中，第二，至少第一特征物质的发光的相移由光敏传感器(6)来检测，光敏传感器(6)捕获至少第一表面元件(3)的至少一部分，光敏传感器的工作周期的时间控制依赖于对激发光的调制，
其中，第一和第二中的元件一起形成检测单元(23)，并且
第三，传感器产生的测量值由显示分析单元(7)转换成有助于验证安全特征的形式。
(b)该设备是便携式设备。
(c)显示分析单元(7)直接布置在检测单元(23)的外壳中，或者是单独的单元，例如智能手机或平板电脑。
(d)检测单元(23)集成在显示分析单元(7)中，或者是作为摄像头附件的显示分析单元的一部分，其中，该显示分析单元是智能手机或平板电脑。
(e)测量值以可视方式显示。
(f)形成使用具有至少一种特征物质的至少一个表面元件(3)所给出的安全特征来进行验证。
(g)实时显示荧光的相移的测量值。
(h)分析单元(7)能够自动执行用于验证对象或文档的所有任务或部分任务。
(i)测量值的处理方式应确保以报告的形式进行验证，该报告由分析单元直接输出或中继到服务器。
(j)除了测量值的处理数据外，报告还包含来自分析单元可访问的各种来源数据的任意进一步的说明。这种情况下，报告能够部分或全部提供给使用设备进行验证的人员，也能够完全或部分加密。
(k)发光特征物质具有斯托克斯或反斯托克斯发射。
(l)至少第二特征物质具有不同于用于相移的第一特征物质的第二值，在至少两种特征物质的不均匀混合物的情况下，通过该设备能够将所述第二值与用于相移的值区分开。
(m)至少第二特征物质具有与第一特征物质不同的冷光的频率，该设备能够将其与冷光的频率区分开。
(n)具有用于个性化、序列化或认证的至少一个发光安全特征的对象或文档，提供使用上述类型的设备对其进行验证。
(o)用于对对象或文档进行个性化、序列化或认证的发光安全特征的验证方法，其中，测量包含在安全特征的至少一个表面元件中的至少一种发光特征物质的发光寿命，其中，第一，适当频率的激发光由调制光源(4)发射，并在该至少一种特征物质中诱导调制发光，该调制发光相对于激发光具有相移；第二，该至少一种第一特征物质的发光的相移由光敏传感器(6)检测，该光敏传感器(6)捕获所述至少一种第一表面元件的至少一部分，光敏传感器(6)的工作周期的时间控制依赖于所述激发光的调制；第三，传感器产生的测量值由分析单元(7)转换成对验证安全特征有用的形式。
附图标记列表
1标记对象
2安全特征
31、32、33、34具有荧光特征物质的表面元件
4荧光激发强度调制的光源
5阻塞滤光片
6锁定成像仪
7显示分析单元
8安全特征的显示
81像素
9带通或窄带滤光片
10具有固有颜色但不含荧光特征物质的表面元件
111、112具有不同荧光波长和荧光寿命的特征物质的表面元件
121、122具有不同特征物质浓度的表面元件
131无荧光特征物质的位置
132捕获区域以外的区域
14用于调整光束质量和光束几何结构的光学单元
15检测单元的光学密封外壳
151检测单元外壳中的窗开口
16反射激发光的光阱
17控制电子单元
18wlan无线适配器、蓝牙或其他无线系统
181无线数据传输
19有线接口，例如usb适配器
191数据传输电缆，例如usb电缆
20操作和感知可视化相移值和其他验证规范的人员
21因特网
22具有数据库的中央服务器
23检测单元
24成像光学元件
i激发和发光电磁波的强度
t作为调制频率倒数的时间
e(t)调制的激发光
f(t)由调制的激发光触发的荧光
m特征物质
φ相移
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