專利名稱：具有微波探測(cè)功能的復(fù)制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)制設(shè)備，例如一種用于復(fù)制證券(documents)的照相復(fù)制設(shè)備。
高清晰度彩色照相復(fù)制設(shè)備的質(zhì)量已提高到這樣的程度，以至安全證券(security document)例如紙幣、股票、支票、護(hù)照、債券甚至信用卡的非法復(fù)制已變得簡(jiǎn)單了。
對(duì)于上述問(wèn)題的一種一般的解決辦法是為證券提供一種標(biāo)記，這種標(biāo)記不能被照相復(fù)制設(shè)備復(fù)制。這樣，有證券的外形但沒(méi)有標(biāo)記的證券就可以被歸入偽造品類。
一種由現(xiàn)有工藝提供的標(biāo)記是一種光學(xué)標(biāo)記，因?yàn)檫@類標(biāo)記不可能被完全復(fù)制。不過(guò)，真正的證券的磨損和表面損壞可以引起標(biāo)記的消失，以致真的證券本身會(huì)冒被指定為偽造品的危險(xiǎn)。
另一種由現(xiàn)有工藝提供的標(biāo)記是在證券中加入一條線。用于探測(cè)紙幣中的這樣一條線的存在，從而檢驗(yàn)紙幣的真實(shí)性的設(shè)備的例子可以在EP-A-0 092 691和US-A-5,279,403中找到。在證券中應(yīng)用的線的材料和類型是如此的多種多樣，以致于用一個(gè)設(shè)備適合探測(cè)所有證券中的線的設(shè)計(jì)顯然是不可能的。此外，這些設(shè)備有一個(gè)缺點(diǎn)就是它們?cè)趥卧炱返某霈F(xiàn)之后很久才能探測(cè)出它。
本發(fā)明的一個(gè)目的是避免現(xiàn)有工藝的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以阻止證券的偽造。
依據(jù)本發(fā)明，提供了一種復(fù)制設(shè)備，例如一個(gè)照相復(fù)制設(shè)備，用于復(fù)制證券。
該設(shè)備包括一個(gè)壓板，用于形成一個(gè)掃描區(qū)域并且用于在其一側(cè)放置證券。
該設(shè)備還包括掃描裝置，用于對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行掃描。該掃描裝置放置于壓板的同側(cè)或另外一側(cè)。該設(shè)備還包括用于獲得掃描裝置和證券兩者之間的相對(duì)的移動(dòng)以便為掃描操作作好準(zhǔn)備的裝置。
該掃描裝置包括一個(gè)微波系統(tǒng)。該微波系統(tǒng)包括若干微波源用于產(chǎn)生微波，若干微波發(fā)射器用于向掃描區(qū)域發(fā)射微波，若干微波接收器用于接收反射的微波及若干微波探測(cè)器用于探測(cè)反射的微波。發(fā)射器的數(shù)量、接收器的數(shù)量和探測(cè)器的數(shù)量比源的數(shù)量多或與之相等。發(fā)射器的數(shù)量和接收器的數(shù)量比探測(cè)器的數(shù)量多或與之相等。發(fā)射器和接收器的位置和數(shù)量是這樣的，它們可以探測(cè)到有一些電磁特性的微粒的存在，這種電磁特性與基底材料的相應(yīng)的電磁特性有本質(zhì)的不同并且這種電磁特性被加入到至少是證券的一部分，這部分與在掃描區(qū)域的證券的位置和大小無(wú)關(guān)。微粒的存在是通過(guò)它們將至少一部分發(fā)射的微波反射回來(lái)，從而產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的改變的反射信號(hào)而被探測(cè)到的。反之，如果缺少微粒，反射響應(yīng)信號(hào)不會(huì)有如此程度的變化。
上述系統(tǒng)有結(jié)果形成非?？欤瑤缀跏橇⒓错憫?yīng)的優(yōu)點(diǎn)，這不會(huì)顯著拖延掃描周期。實(shí)驗(yàn)已顯示1cm(厘米)越過(guò)(pass over)第一個(gè)存在的微粒之后，一個(gè)關(guān)于微拉的存在的判定可以已經(jīng)做出。如此高速的響應(yīng)很難通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到。
上述系統(tǒng)的其它優(yōu)點(diǎn)，尤其與光學(xué)系統(tǒng)相比，是該系統(tǒng)對(duì)灰塵是不敏感的，任何微粒的存在很難被在傳感器和證券兩者之間放置一張紙遮掩，并且探測(cè)能力的高水準(zhǔn)會(huì)任憑證券的隨時(shí)間變化而引起的質(zhì)量變化，變皺或弄臟而保持。
用于在電磁特性有本質(zhì)不同的基底材料上探測(cè)微粒的存在的微波系統(tǒng)在工藝上是已知的(見(jiàn)例如US-A-4,408,158；US-A-4,566,121；US-AA-4,566,122和US-A-4,820,912)，但是不適于上述在一臺(tái)復(fù)制機(jī)械中的操作和掃描一個(gè)在長(zhǎng)度和寬度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波的波長(zhǎng)的區(qū)域的目的。
本發(fā)明的上下文中-術(shù)語(yǔ)“復(fù)制設(shè)備(reproduction apparatus)”包括一個(gè)黑白復(fù)制設(shè)備，一個(gè)高清晰度的真實(shí)彩色照相復(fù)制設(shè)備，還有一個(gè)用于由計(jì)算機(jī)將圖象數(shù)字化而用于進(jìn)行更進(jìn)一步處理的掃描設(shè)備；-術(shù)語(yǔ)“壓板(platen)”是用于每一個(gè)支承結(jié)構(gòu)發(fā)射波和光，在其上被復(fù)制的證券可以被定位；它可以是平的或圓柱形的；-術(shù)語(yǔ)“掃描區(qū)域(scabning area)”指的是可以被掃描的整個(gè)區(qū)域；它確定一次可以被復(fù)制的證券的最大尺寸；-術(shù)語(yǔ)“掃描(scanning)”包括所謂的預(yù)掃描，用于檢驗(yàn)證券的位置和尺寸和用于復(fù)制步驟本身的一個(gè)或更多的掃描周期(scanningcycli)；-術(shù)語(yǔ)“相對(duì)的移動(dòng)(relative movement)”指的是在證券和掃描裝置兩者之間的移動(dòng)；有可能有兩個(gè)不同的實(shí)施例一個(gè)有一個(gè)可移動(dòng)的壓板的照相復(fù)制設(shè)備和一個(gè)有一個(gè)固定壓板的照相復(fù)制設(shè)備；-術(shù)語(yǔ)“微波源(microwave source)”表示一個(gè)產(chǎn)生微波的微波振蕩器；微波源的例子是一個(gè)耿氏二極管(Gunn-diode)，一個(gè)高電子遷移率晶體三極管和一個(gè)金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；-術(shù)語(yǔ)“微波發(fā)射器(microwave emitter)”和“微波接收器(microwave receiver)”包括簡(jiǎn)單的天線結(jié)構(gòu)，例如半波偶極子(halfwave diple)，四分之一波長(zhǎng)偶極子(quarter wavedipole)，微帶接插(microstrip patch)和波導(dǎo)孔(waveguide aperture)；-術(shù)語(yǔ)“微波探測(cè)器(microwave detector)”包括一個(gè)肖特基二極管(Schottky diode)；-術(shù)語(yǔ)“有一些電磁特性的微粒，它與基底材料的相應(yīng)的電磁特性有本質(zhì)的不同”指的是任何可以加入到證券的基底材料中的小尺寸的物質(zhì)并且它的介電常數(shù)為ε，磁導(dǎo)率為μ，或電阻率為ρ，與基底材料的ε、μ或ρ有本質(zhì)的不同；這種物質(zhì)的例子是被加入到紙的或塑料的一種基底材料中的導(dǎo)電不銹鋼纖維；-術(shù)語(yǔ)“反射(reflecting)”也包括不一定在與微波的發(fā)射方向相同的方向出現(xiàn)的反向散射。
源、發(fā)射器、接收器和探測(cè)器實(shí)際上未必彼此各不相同。下列實(shí)施例是可能的
-產(chǎn)生和探測(cè)微波的功能由一個(gè)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即由一個(gè)所謂的自探測(cè)(self-detecting)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)；-發(fā)射和接收微波的功能由單一天線或一個(gè)在波導(dǎo)中的簡(jiǎn)單的孔來(lái)實(shí)現(xiàn)；-接收和探測(cè)微波的功能由接收被反射微波的單一探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
微波系統(tǒng)最好是包括唯一的源和多個(gè)發(fā)射器、接收器和探測(cè)器。該系統(tǒng)兼有簡(jiǎn)單、輕便和能提供高的信噪比，例如信噪比高于20dB或25dB的優(yōu)點(diǎn)。
一般地，用于控制微波的裝置須包括下列結(jié)構(gòu)一個(gè)由金屬或鍍以金屬的塑料制成的中空的波導(dǎo)，平面構(gòu)件例如微帶、帶狀傳輸線、隙縫線(slotline)和同軸傳輸線。
為了盡一步減輕重量和增加密集性的原因，用于控制微波的裝置最好由上述的平面構(gòu)件來(lái)組成。這樣，一套微波系統(tǒng)可以達(dá)到小于100克的重量，小于80克更好并且最好小于50克。然而由此推斷，如果使用一個(gè)中空的波導(dǎo)，不排除如此輕的重量。
依據(jù)本發(fā)明的復(fù)制設(shè)備還包括用于處理由被反射微波產(chǎn)生的信號(hào)的裝置。這些處理裝置可以是數(shù)字的或模擬的或兩者的組合。這些設(shè)備也包括用于產(chǎn)生下列信號(hào)的裝置-“開(kāi)(on)”信號(hào)，如果在證券的基底材料中探測(cè)出微粒的存在；和-“關(guān)(off)”信號(hào)，如果在證券的基底材料中沒(méi)有探測(cè)出微粒的存在；(或反之亦然)。
在“開(kāi)(on)”信號(hào)的情況下，復(fù)制將被禁止或只能得到一份黑色拷貝，或?qū)⑹褂昧硪粋€(gè)復(fù)制分辨率或用其它顏色復(fù)制，這樣偽造品將會(huì)被防止。
在“關(guān)(off)”信號(hào)的情況下，將進(jìn)行常規(guī)的復(fù)制步驟。
在本發(fā)明的一個(gè)特殊的實(shí)施例中，在下文中指的是第三個(gè)實(shí)施例，微波系統(tǒng)還包括，對(duì)于每個(gè)發(fā)射器，開(kāi)關(guān)二極管被排列成使之能夠短路相應(yīng)的發(fā)射器。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在下文中指的是第四個(gè)實(shí)施例，發(fā)射器和接收器被排列成與一個(gè)頻率相對(duì)應(yīng)的共振結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“共振結(jié)構(gòu)(resonating structure)”不僅僅指與預(yù)置的頻率范圍相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，而且指一旦該頻率超過(guò)預(yù)置的下限就馬上發(fā)出一個(gè)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在下文中指的是第五個(gè)實(shí)施例，每一個(gè)發(fā)射器響應(yīng)于一個(gè)共振頻率，該共振頻率與發(fā)射器的共振頻率不同。該微波系統(tǒng)還包括用于用電子調(diào)諧生成微波(generated microwave)的頻率的裝置以便隨變化的頻率生成微波而每個(gè)發(fā)射器順序地變得有效。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在下文中指的是第六個(gè)實(shí)施例，一排發(fā)射器負(fù)荷一個(gè)類似空腔諧振器的共振結(jié)構(gòu)。
在第七個(gè)實(shí)施例中，微波系統(tǒng)包括兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)用于在同一偏振極上發(fā)射所產(chǎn)生的微波和被反射的微波。另外一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，它與第一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)隔絕，它適用于在一個(gè)偏振系統(tǒng)中發(fā)射被反射的微波，該偏振系統(tǒng)不同于或相當(dāng)于生成微波的偏振系統(tǒng)。
最后，在第八個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)微波源和許多數(shù)量相等的發(fā)射器、接收器和探測(cè)器被應(yīng)用。這些探測(cè)器被設(shè)置于接近每個(gè)發(fā)射器處。
本發(fā)明現(xiàn)在將參照附圖被更詳細(xì)地闡述，其中

圖1給出了平放在一個(gè)復(fù)制設(shè)備的玻璃壓板上的紙幣的上視圖；圖2給出了一個(gè)復(fù)制設(shè)備的相關(guān)部分的剖面圖；圖3(a)圖解說(shuō)明了一個(gè)采用定向耦合器的微波系統(tǒng)的實(shí)施例；圖3(b)給出了一個(gè)圖3(b)中說(shuō)明的微波系統(tǒng)的一個(gè)圖示；圖4(a)圖解說(shuō)明了一個(gè)采用開(kāi)關(guān)二極管的微波系統(tǒng)的實(shí)施例；圖4(b)給出了一個(gè)圖4(a)中說(shuō)明的微波系統(tǒng)的圖示；圖4(c)給出了圖4(a)中說(shuō)明的微波系統(tǒng)的微帶選擇方案(microstrip alternative)的剖面圖的圖示；圖5(a)圖解說(shuō)明了一個(gè)利用諧振槽(resonant slot)的微波系統(tǒng)；圖5(b)給出了圖5(a)的依據(jù)線V-V的微波系統(tǒng)的剖面圖；圖6(a)給出了在波導(dǎo)中的一個(gè)常規(guī)槽(conventional slot)的圖示；
圖6(b)和圖6(c)給出了應(yīng)用了消偏振技術(shù)的槽的圖示；圖7(a)和圖7(b)圖解說(shuō)明了一個(gè)單信號(hào)源多探測(cè)器(multi-detector)系統(tǒng)。
本發(fā)明的思想是依據(jù)下列原則代替在真正的偽造品出現(xiàn)很久并已泛濫之后開(kāi)發(fā)探測(cè)可能存在的偽造證券的系統(tǒng)，本系統(tǒng)的目的是阻止偽造品，或至少讓偽造品制造者們?cè)谠噲D制作偽造品時(shí)更加困難。本發(fā)明提供了一個(gè)系統(tǒng)，它可以阻止一個(gè)特定種類的證券，上下文中稱為“證券”的被復(fù)制，例如借助于一臺(tái)高清晰度彩色復(fù)制設(shè)備。術(shù)語(yǔ)“證券”包括所有證券，例如紙幣、股票、支票、護(hù)照、債券甚至信用卡或類似的證券，這些證券有一種具有某種電磁特性的基底材料，這種電磁特性的某些部分與相應(yīng)的任何加入基底材料中的微粒的電磁特性有本質(zhì)的不同，例如一種在本質(zhì)上是電絕緣的基底材料。這種基底材料的例子是紙和塑料。
為了防止復(fù)制證券，這些證券至少應(yīng)該含有若干微粒，如不銹鋼纖維，出于與基底材料簡(jiǎn)單混合的原因和在下文中會(huì)變得明了的其它原因，不銹鋼纖維最好分布于整個(gè)證券中。
通常證券包括按重量計(jì)算小于5％的不銹鋼纖維，例如按重量計(jì)算小于1％或小于0.5％。不銹鋼纖維是隨機(jī)地分布于證券中的。
不銹鋼纖維的長(zhǎng)度小于40毫米，最好小于20毫米，小于10毫米更好，例如3到6毫米。
限制長(zhǎng)度的原因是允許方便地與基底材料混合和避免不銹鋼纖維在證券的外觀方面顯著的影響。
不銹鋼纖維起電偶極子(electrical dipole)的作用。它們甚至可以產(chǎn)生諧振反射。盡管密集度低，甚至微波密度低，但纖維具有相對(duì)高的反射率。這意味著消耗的微波能量可以保持很小，例如大約5毫瓦的源功率就足夠了，這意味著附加的電負(fù)荷不用加于復(fù)制設(shè)備上。
由本微波系統(tǒng)產(chǎn)生的微波輻射水平非常有限，這意味著沒(méi)有與本系統(tǒng)有關(guān)的潛在的健康上的冒險(xiǎn)。
不銹鋼纖維有小于50毫米的直徑，并且最好是在2到25毫米內(nèi)，這也是因?yàn)樽C券的外觀方面的原因。
將借助于微波系統(tǒng)探測(cè)不銹鋼纖維的有無(wú)。微波頻率可以在1到50GHz(千兆赫)范圍內(nèi)變化，但不銹鋼纖維的長(zhǎng)度和直徑?jīng)Q定了最佳的頻率。
因?yàn)椴讳P鋼纖維具有從2.5到10毫米之間，例如大約6毫米的長(zhǎng)度，合適的頻率范圍是在20到30GHz之間，例如25GHz。
根據(jù)不銹鋼纖維的直徑，如果微波的穿透深度由于集膚效應(yīng)的緣故與直徑的一半相等，一個(gè)合適的頻率可以得到。
由于從20到30GHz這樣的高頻率，非?？斓奶綔y(cè)器響應(yīng)是可能的。
圖1圖解說(shuō)明了復(fù)制設(shè)備中構(gòu)成掃描區(qū)域的壓板玻璃10。這樣的一塊壓板玻璃10的厚度通常分布在2到6毫米的范圍之內(nèi)，例如從3到5毫米。在壓板玻璃10上的證券，例如紙幣12，包含隨機(jī)分布于整個(gè)紙幣12中的不銹鋼纖維13。
例如，假設(shè)掃描區(qū)域的表面與一張標(biāo)準(zhǔn)的DIN A4紙的表面相等，即21厘米×29.7厘米，并且紙幣的寬度是7厘米。用單個(gè)發(fā)射器和接收器在20到30GHz的頻率范圍內(nèi)可獲得的最大探測(cè)寬度大約是1厘米到1.5厘米。用一個(gè)單獨(dú)的直線的掃描動(dòng)作來(lái)探測(cè)有不銹鋼纖維加入其中的紙幣是不可能的，因?yàn)榧垘诺暮线m的放置，例如在縱向的方向和稍微遠(yuǎn)離發(fā)射器和接收器的移動(dòng)路線(course)就可能避開(kāi)探測(cè)。拿以上A4掃描區(qū)域的例子，并且假設(shè)不銹鋼纖維遍布于整個(gè)紙幣中，假設(shè)掃描動(dòng)作在A4掃描區(qū)域的縱向方向上移動(dòng)，四個(gè)傳感器將足夠用于探測(cè)一張紙幣的所有可能的位置。有更小的長(zhǎng)度尺寸(例如信用卡)的證券，或僅僅有部分不銹鋼纖維的證券，或掃描區(qū)域大于一張DIN A4的證券就需要更多的傳感器。
圖2圖解說(shuō)明了與本發(fā)明有關(guān)復(fù)制設(shè)備14的相關(guān)部分的剖面圖。復(fù)制設(shè)備14包括一個(gè)壓板玻璃10，在其上放置著被復(fù)制的證券12。蓋16，例如一個(gè)自動(dòng)證券供給(ADF)蓋可以被設(shè)置在壓板玻璃10上。掃描裝置18被設(shè)置在壓板玻璃10之下，在復(fù)制步驟之前及在復(fù)制步驟之中完成一次或更多的掃描動(dòng)作。
在箭頭20方向的掃描速率通常在100到300毫米/秒之間，例如在150到250毫米/秒之間。最好是以同樣的掃描速率探測(cè)證券中的不銹鋼纖維的存在，這樣做不用降低掃描速率。
掃描裝置18在箭頭22的方向上的返回速度高得多，可達(dá)到1000毫米/秒，甚至達(dá)到1600毫米/秒或更高。因此用于不銹鋼纖維的探測(cè)的輔助微波系統(tǒng)應(yīng)盡可能少地為掃描裝置增加重量。包括一個(gè)微波系統(tǒng)的掃描裝置18的總重量最好限制在400克到600克范圍內(nèi)。第一個(gè)實(shí)施例第一個(gè)用于在掃描區(qū)域內(nèi)探測(cè)證券中的不銹鋼纖維的存在的微波系統(tǒng)可以配備如下一排收發(fā)信機(jī)，例如四個(gè)獨(dú)立工作的收發(fā)信機(jī)。每個(gè)收發(fā)信機(jī)帶有一個(gè)作為微波源的耿氏二極管；一個(gè)傳感器頭(sensor head)，它包含有發(fā)射器和接收器的功能，并且其本質(zhì)的功能是作為收發(fā)信機(jī)的一個(gè)開(kāi)端的波導(dǎo)；一個(gè)探測(cè)器二極管，例如肖特基二極管或點(diǎn)接觸型二極管(point contact diode)，提供很快的直流(DC)電壓響應(yīng)。收發(fā)信機(jī)被分配在掃描區(qū)域的寬度上。四個(gè)探測(cè)器二極管的輸出信號(hào)可以連接成一個(gè)“或(OR)邏輯”電路，該電路在至少一個(gè)收發(fā)信機(jī)探測(cè)到不銹鋼纖維的存在的情況下，發(fā)出一個(gè)“開(kāi)(on)”信號(hào)。
但是，該第一系統(tǒng)有需要四個(gè)耿氏二極管的缺點(diǎn)，這增加了費(fèi)用并且也增加了微波系統(tǒng)的重量。第二個(gè)實(shí)施例為了降低微波系統(tǒng)的費(fèi)用和重量，第二個(gè)微波系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成使用一個(gè)收發(fā)信機(jī)代替一排，例如一排共四個(gè)傳感器頭。圖3(a)和3(b)圖解說(shuō)明了這樣的一個(gè)微波系統(tǒng)24。一個(gè)收發(fā)信機(jī)26被用螺栓和一個(gè)(flange)27與波導(dǎo)28相連，波導(dǎo)28有四個(gè)傳感器頭30。定向耦合器32，例如混合3dB耦合器(hybrid 3dB coupler)，設(shè)置在波導(dǎo)的小的一側(cè)，用來(lái)將功率分配給這些傳感器頭。收發(fā)信機(jī)26基本上由耿氏二極管34、環(huán)形器36和探測(cè)器二極管38構(gòu)成。
法蘭盤(pán)27不是必需的。為了減小微波系統(tǒng)的體積和重量，它可以被省略，并且波導(dǎo)28可以被直接焊接在收發(fā)信機(jī)26上。
盡管具有只使用一個(gè)耿氏二極管和一個(gè)探測(cè)器二極管的優(yōu)點(diǎn)，該第二微波系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)。
第一個(gè)缺點(diǎn)是由于有效功率的分配和由于應(yīng)用高頻率的結(jié)果在定向耦合器中的損耗，在這些傳感器頭上僅僅可以獲得功率的一小部分，并且，結(jié)果，僅僅所產(chǎn)生功率的一小部分可以被不銹鋼纖維反射并且使探測(cè)器二極管能夠得到。這會(huì)導(dǎo)致需要更大功率的和更昂貴的耿氏二極管，導(dǎo)致在信號(hào)處理過(guò)程中其它的判定算法或?qū)е赂鼜?fù)雜的電子設(shè)備。
第二個(gè)缺點(diǎn)是，如果波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被用來(lái)傳送微波，定向耦合器的使用會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的構(gòu)造，如圖3(a)顯示的那樣，它需要昂貴的設(shè)配和花費(fèi)，并且它不再是很緊密的和較輕重量的。這個(gè)缺點(diǎn)可以使用例如用微帶作為傳輸介質(zhì)來(lái)解決。第三個(gè)實(shí)施例第三個(gè)微波系統(tǒng)有采用前向設(shè)計(jì)，并且提供一個(gè)在第二個(gè)微波系統(tǒng)中的功率分配問(wèn)題的解決辦法，在圖4(a)、4(b)和4(c)中有圖解說(shuō)明。
參照?qǐng)D4(a)和4(b)，傳感器頭30，如果有合適的尺寸，與波導(dǎo)28一起作為一個(gè)開(kāi)端(an open ended)的傳輸線。開(kāi)關(guān)二極管或PIN二極管40，它們對(duì)于本領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)是已知的，設(shè)置于每個(gè)傳器頭30上并且可以用來(lái)短路除了一個(gè)以外的全部的傳感器頭30，這樣由收發(fā)信機(jī)26生成的全部功率就可供給由始終開(kāi)著的那個(gè)傳感器頭。開(kāi)關(guān)二極管40可以周期地或順序地轉(zhuǎn)換開(kāi)和關(guān)，以便四個(gè)傳感器頭30中的每一個(gè)在略小于該時(shí)間的25％的內(nèi)被連接，考慮到每次開(kāi)關(guān)的一個(gè)很短的空載時(shí)間。開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以以一個(gè)微處理器的時(shí)鐘頻率，例如以25MHz同步地被完成。
如果采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)28，傳感器頭可以被設(shè)置在波導(dǎo)的小的壁(smallwall)上。一個(gè)很輕的、尺寸大約10毫米×5毫米、用鋁制成的波導(dǎo)很適合用來(lái)制造復(fù)制設(shè)備。
圖4(c)用示意解說(shuō)明了一個(gè)微帶選擇方案(microstripalternative)的橫向的剖面圖。微帶基本上是由放置于兩個(gè)絕緣材料層48、50之間和兩個(gè)外層導(dǎo)線條42和46之間的中心導(dǎo)線條44構(gòu)成的。合適的傳感器頭或窗口30可以做在一個(gè)外層導(dǎo)線42上，并且開(kāi)關(guān)二極管40可以跨接在該傳感器頭30上?？紤]到所用的頻率很高，為了減小介質(zhì)損耗，特氟隆(teflon)或類似物質(zhì)可以用來(lái)制作絕緣材料層48、50。微帶具有允許低成本大量生產(chǎn)和提供一個(gè)可以方便地集成到現(xiàn)有復(fù)制設(shè)備中的微波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。使用微帶時(shí)，需要作為變換器的波導(dǎo)過(guò)渡，否則在微帶中必須使用更昂貴的變換器。第四個(gè)實(shí)施例第四個(gè)微波系統(tǒng)在圖5(a)和5(b)中被描述。它應(yīng)用了所謂的共振結(jié)構(gòu)的技術(shù)，該共振結(jié)構(gòu)由一個(gè)波導(dǎo)構(gòu)成共振槽。這項(xiàng)技術(shù)在用于遠(yuǎn)距離發(fā)射的雷達(dá)天線領(lǐng)域是已知的。該共振槽由傳感器頭30在波導(dǎo)28的粗端上構(gòu)成，在與波導(dǎo)28相連接的寬度大約是20毫米的金屬條52中。槽30在波導(dǎo)的寬度上的合理設(shè)計(jì)和定位將會(huì)平均地向四個(gè)槽30i，30ii，30iii和30iv分配所產(chǎn)生的功率。每個(gè)槽30的長(zhǎng)度大約是半個(gè)波長(zhǎng)。為了避免所產(chǎn)生的全部微波功率通過(guò)槽30i消散，位置上最靠近收發(fā)信機(jī)26的槽30i被放在遠(yuǎn)離中心線54的位置。第一個(gè)槽30i的遠(yuǎn)離中心線的正確定位使所產(chǎn)生微波功率的25％在第一個(gè)槽30i中獲得，并且所產(chǎn)生微波功率的75％通過(guò)槽30i。為了使所產(chǎn)生微波功率的25％也能在第二個(gè)槽30ii中獲得，該第二個(gè)槽30ii被定位于比第一個(gè)槽30i稍接近中心線54的地方，這是因?yàn)橹挥兴a(chǎn)生功率的75％可獲得。所生成微波功率的50％通過(guò)槽30ii，并且為了使在第三個(gè)槽30iii中也獲得所生成微波功率的25％，該第三個(gè)槽30iii也定位于此第二個(gè)槽30ii稍接近中線54的地方，這是因?yàn)檫@時(shí)僅可得到生成功率的50％。只有所生成微波功率的25％通過(guò)第三個(gè)槽30iii，這使第四個(gè)槽30iv就定位于中心線54上，這是為了使剩余的功率在第四個(gè)槽中獲得。
這四個(gè)槽30在波導(dǎo)28的長(zhǎng)度上的正確的定位避免了通過(guò)某個(gè)槽反射的功率不通過(guò)其它槽消散，而被傳輸至收發(fā)信機(jī)26。
波導(dǎo)28的尺寸對(duì)于應(yīng)用的頻率范圍是很有限的(約10毫米×約5毫米)，所以可以得到緊湊的和靈巧的結(jié)構(gòu)。
如果圖5(a)和5(b)中的波導(dǎo)28被一條帶狀傳輸線或微帶代替了，共振結(jié)構(gòu)可以由所謂的設(shè)置于一個(gè)微帶或帶狀傳輸線的絕緣材料上的接插天線(patch antennas)構(gòu)成。該接插天線由小的電導(dǎo)板組成。
該第四個(gè)系統(tǒng)可以有許多替代結(jié)構(gòu)。
如果傳感器頭的數(shù)量增加了，一個(gè)開(kāi)槽(slotted)波導(dǎo)管可用于連接于一個(gè)收發(fā)信機(jī)的兩端。每個(gè)收發(fā)信機(jī)就可以只向部分?jǐn)?shù)量的傳感器頭饋電。
為了避免與功率分配有關(guān)的問(wèn)題，共振槽技術(shù)也可以與開(kāi)關(guān)二極管技術(shù)相結(jié)合。第五個(gè)實(shí)施例在第五個(gè)微波系統(tǒng)中，應(yīng)用可以由收發(fā)信機(jī)構(gòu)成，收發(fā)信機(jī)帶有一些裝置，例如一個(gè)把頻率作為某個(gè)確定的輸入電壓的函數(shù)來(lái)進(jìn)行電調(diào)諧的變?nèi)荻O管。該變?nèi)荻O管目前在市場(chǎng)上可買(mǎi)到。例如，對(duì)于3V(伏)的電壓變化，頻率可從24GHz到25.5GHz變化。在波導(dǎo)中的第一個(gè)共振槽可以設(shè)計(jì)成用來(lái)響應(yīng)24GHz(0V)的頻率，第二個(gè)共振槽響應(yīng)24.5GHz(1V)的頻率，第三個(gè)共振槽響應(yīng)25GHz(2V)的頻率，并且第四個(gè)共振槽響應(yīng)25.5GHz(3V)的頻率。采用這種方法，每個(gè)傳感器在其頻率生成時(shí)持續(xù)有效，并且在此期間可獲得全部的被反射功率。這項(xiàng)技術(shù)通常被稱為頻分多路復(fù)用(freqHency multiplexing)。第六個(gè)實(shí)施例依據(jù)第六個(gè)微波系統(tǒng)，傳感器頭的排列可以在某種方式上被設(shè)計(jì)成該排列負(fù)載一個(gè)共振結(jié)構(gòu)，例如一個(gè)空腔諸振器。收發(fā)信機(jī)經(jīng)由一個(gè)耦合器件，例如一個(gè)膜片(iris)向空腔諧振器饋給功率。該功率在空腔諧振器中及通過(guò)傳感器頭時(shí)衰減。經(jīng)過(guò)一個(gè)傳感頭的探測(cè)區(qū)域時(shí)，某一不銹鋼纖維的存在將使空腔諧振器失諧，因?yàn)樘綔y(cè)器二極管可獲得全部的功率，所以這可以很容易地由探測(cè)器二極管來(lái)監(jiān)視。第六個(gè)系統(tǒng)具有只需簡(jiǎn)單電子設(shè)備、只工作于單一頻率、可能構(gòu)造一個(gè)輕型系統(tǒng)和可能存在很多傳感器頭的優(yōu)點(diǎn)。
與第四個(gè)系統(tǒng)的差別是在第四個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)槽構(gòu)造是一個(gè)獨(dú)立的共振結(jié)構(gòu)，而在第六個(gè)系統(tǒng)中，同時(shí)包括其所有的槽的整個(gè)波導(dǎo)起共振結(jié)構(gòu)的作用。第七個(gè)實(shí)施例在另一個(gè)也就是第七個(gè)微波系統(tǒng)中可以使用消偏振技術(shù)。關(guān)于圖6(a)，所產(chǎn)生的電場(chǎng)Eg總是與傳感器頭30的小的一側(cè)平行，某一不銹鋼纖維，假設(shè)其在證券中的定向是隨機(jī)的，將不只反射與所產(chǎn)生的電場(chǎng)Eg平行的電場(chǎng)Er1分量，而且也反射與所產(chǎn)生的電場(chǎng)Eg垂直的電場(chǎng)Er2分量。如果不采取措施，電場(chǎng)分量Er2喪失了探測(cè)目的。
傳感器窗口(sensor windows)30現(xiàn)在可以這樣來(lái)設(shè)計(jì)被反射場(chǎng)分量Er2也為了探測(cè)的目的而接收。圖6(b)和6(c)表示了這樣一個(gè)傳感器頭30的兩種可能的實(shí)施例。
電場(chǎng)分量Er1現(xiàn)在可以在相同的傳輸系統(tǒng)中被積累作為所生成電場(chǎng)Eg的一個(gè)量；電場(chǎng)分量Er2可以在另外一個(gè)傳輸系統(tǒng)中被積累，該另外一個(gè)傳輸系統(tǒng)是隔絕的，并且適合于另外一個(gè)偏振系統(tǒng)。這種消偏振技術(shù)是已知的，例如在雷達(dá)設(shè)備中，它允許在探測(cè)器二極管中獲得高的功率。第八個(gè)實(shí)施例圖7(a)圖解說(shuō)明了第八個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例是一個(gè)單源多探測(cè)器系統(tǒng)。單源26，例如一個(gè)耿氏二極管，產(chǎn)生微波，微波在波導(dǎo)28中向四個(gè)傳感頭30傳輸，這些傳感器頭30由在波導(dǎo)28的一側(cè)上的開(kāi)槽孔(slotted aperture)構(gòu)成。最佳情況是為了在傳感器頭30獲得最理想的能量，每個(gè)傳感器頭被置于波導(dǎo)上距離源28半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍的位置上。為了在波導(dǎo)上獲得最大的駐波，波導(dǎo)55的末端被置于在波導(dǎo)上從最近的傳感器頭30算起的四分之一波長(zhǎng)的非偶數(shù)和整數(shù)倍的地方。探測(cè)器模塊56被設(shè)置于靠近每個(gè)探測(cè)器頭30的地方。該探測(cè)器模塊56是一塊固定在波導(dǎo)28上的小的印制電路板。圖7(b)表示了這樣一個(gè)探測(cè)器模塊56的更詳細(xì)和放大的視圖。它的實(shí)際尺寸大約是8毫米×30毫米。被反射微波在天線58處被接收到。這些被反射微波的電壓信號(hào)被印制電路板放大，并且可以作為一個(gè)輸出信號(hào)在連接點(diǎn)60和62之間獲得。探測(cè)器模塊56由一個(gè)在點(diǎn)64的5V的直流電壓饋電。由四個(gè)探測(cè)器模塊56提供的輸出電壓被個(gè)別地處理，并且這種處理的四個(gè)結(jié)果信號(hào)被輸入一個(gè)邏輯或(OR)-電路。
還有其它的微波系統(tǒng)可以設(shè)想和設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)對(duì)于在微波技術(shù)方面有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)很明了。例如，可以設(shè)計(jì)不同角度的天線作為傳感器頭用于反射信號(hào)的偏振探測(cè)。
由于本系統(tǒng)的探測(cè)只依據(jù)微波的反射的事實(shí)，必須小心反射微波的形式不受任何在掃描區(qū)域的鄰區(qū)內(nèi)的導(dǎo)電材料所干擾。
采用在微波領(lǐng)域內(nèi)方便的手段調(diào)諧微波系統(tǒng)，不過(guò)可以使探測(cè)不依據(jù)絕對(duì)的反射水平，而是依據(jù)一個(gè)相對(duì)的反射水平。這使系統(tǒng)不至要求太高。
此外，不銹鋼纖維，特別是不銹鋼纖維，在本發(fā)明的上下文中在基底材料中有極小的密度，例如，按重量計(jì)算小于5％，并且最好按重量計(jì)算小于0.5％。由于這種極小的密度和由于高的反射率，微波幾乎能探測(cè)出基底材料中的單個(gè)的纖維，這意味著可以得到有很寬變化范圍的響應(yīng)信號(hào)，這允許區(qū)分周?chē)挠绊憽?br> 這種很寬變化范圍的信號(hào)可以導(dǎo)致非常簡(jiǎn)單的判定算法，該算法依據(jù)計(jì)算在證券的至少一部分中微波反射的標(biāo)準(zhǔn)的偏離或偏差。這種判定算法在某種意義上是通用的，它可以應(yīng)用于不同的復(fù)制設(shè)備，例如有不同類型的蓋的復(fù)制設(shè)備中。
在這種算法的計(jì)算結(jié)果超出了一個(gè)臨界水平的情況下，證券中單個(gè)纖維的存在被探測(cè)出，并且產(chǎn)生一個(gè)“開(kāi)(on)”信號(hào)。在計(jì)算值得保持低于一個(gè)臨界水平的情況下，沒(méi)有單個(gè)的纖維被探測(cè)出，并且產(chǎn)生一個(gè)“關(guān)(off)”信號(hào)。
盡管上述單個(gè)不銹鋼纖維的特殊的優(yōu)點(diǎn)，特別要注意照相復(fù)制設(shè)備的蓋，它可能包含有一個(gè)內(nèi)側(cè)的反射面，該反射面通常由導(dǎo)電材料制成，并且屬于一個(gè)ADF蓋的金屬部分。
已尋找到解決蓋的內(nèi)側(cè)表面的第一問(wèn)題的方法，這個(gè)方法是使用一個(gè)有很輕微反射的內(nèi)側(cè)表面，但是對(duì)于如此小的電導(dǎo)率，微波不能真正地反射。面對(duì)壓板10的蓋的內(nèi)表面可以由下述材料構(gòu)成，例如一個(gè)很薄的噴鍍金屬薄片，一個(gè)覆蓋有一層應(yīng)用化學(xué)蒸汽噴鍍的鋁涂層的薄片，一種金屬漆或一塊用一種介質(zhì)透明層覆蓋在其自由的內(nèi)側(cè)的金屬板。
另一種解決方案應(yīng)該是采用一種吸收微波的內(nèi)表面，例如，通過(guò)仔細(xì)地放置至少兩個(gè)互相平行的導(dǎo)電層。
但是對(duì)第一個(gè)問(wèn)題的另一個(gè)解決方法可以解釋如下?？梢砸赃@種方法調(diào)諧微波系統(tǒng)，使得，當(dāng)任何導(dǎo)電板，例如一個(gè)金屬板由于其相對(duì)于傳感器頭或傳感器窗口的合理的設(shè)置沒(méi)有給出一個(gè)響應(yīng)信號(hào)時(shí)，傳感器頭或傳感器窗口對(duì)于任何存在的不銹鋼纖維接收一個(gè)最大的反射信號(hào)；調(diào)諧可以是在任意遠(yuǎn)的距離獲得一個(gè)最大的響應(yīng)，這個(gè)距離是四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，這是定位證券的合理位置；在任何四分之一波長(zhǎng)的偶數(shù)倍的距離可獲得一個(gè)最小的響應(yīng)，這是設(shè)置任何現(xiàn)有的導(dǎo)電板的位置。
對(duì)于ADF蓋的第二個(gè)問(wèn)題的可能的解決方法已尋找到，為了屏蔽任何外界反射，在這種ADF蓋的區(qū)域(belt)中加入一個(gè)金屬薄片，或一種應(yīng)用化學(xué)蒸汽噴鍍的鋁涂層，或一種金屬漆。
上述內(nèi)反射表面和ADF蓋的問(wèn)題也由于應(yīng)用更復(fù)雜的判定算法被克服，判定算法可以以硬件或軟件或兩者結(jié)合的方式被完成。一般地，這些判定算法可以包括下列幾種模塊-一個(gè)區(qū)分一根纖維和一塊金屬板的模塊如果在預(yù)定距離之上探測(cè)到導(dǎo)電物質(zhì)的連續(xù)并恒定的存在，該物質(zhì)被確定為是一塊金屬板而非纖維；-一個(gè)確定導(dǎo)電物質(zhì)的尺寸的模塊如果這個(gè)尺寸比被料想包含纖維的證券的那部分要小得多，該物質(zhì)不被確定為纖維，而被確定為諸如一個(gè)用來(lái)釘住證券的金屬U形釘之類的東西；-一個(gè)探測(cè)纖維的模塊，它包括一個(gè)帶通濾波器，用以過(guò)濾一個(gè)典型的由纖維產(chǎn)生的響應(yīng)的頻率范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)復(fù)制設(shè)備，用于復(fù)制包含一個(gè)基底材料的證券(docu ments)，上述設(shè)備包括一塊壓板，用于形成一個(gè)掃描區(qū)域并且在其一側(cè)放置證券；掃描裝置，用于對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行掃描，上述掃描被放在上述壓板的一側(cè)；用于在掃描裝置與證券兩者之間獲得一個(gè)相對(duì)移動(dòng)，以便允許上述掃描的裝置。上述掃描裝置包括一個(gè)微波系統(tǒng)，該微波系統(tǒng)用于在上述基底材料中探測(cè)具有某些電磁特性的微拉的存在，這些電磁特性與上述基底材料的相應(yīng)有電磁特性有本質(zhì)的不同。上述微波系統(tǒng)包括若干微波源，用于產(chǎn)生微波；若干微波發(fā)射器，用于向掃描區(qū)域發(fā)射微波；若干微波接收器，用于接收被反射的微波；若干微波探測(cè)器，用于探測(cè)被反射的微波。微波發(fā)射器的數(shù)量、微波接收器的數(shù)量和微波探測(cè)器的數(shù)量比微波源的數(shù)量多或相等，微波發(fā)射器和微波接收器的位置和數(shù)量應(yīng)使之可以探測(cè)到具有某些電磁特性的微粒的存在，這些電磁特性與基底材料的相應(yīng)的電磁特性有本質(zhì)的不同，并且這種微粒被加入到證券的基底材料的至少一部分，與在掃描區(qū)域的證券的位置和大小無(wú)關(guān)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是微波源的數(shù)量等于1。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是微波發(fā)射器的數(shù)量和微波接收器的數(shù)量大于1，并且微波發(fā)射器被排成一排。
4.依據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，該設(shè)備還包括用于在微波源和微波發(fā)射器之間引導(dǎo)微波的裝置，并且引導(dǎo)微波的上述裝置由一根帶狀線，一條微帶或一根隙縫線(slotline)構(gòu)成。
5.依據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波系統(tǒng)的重量小于100克。
6.依據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的設(shè)備，其特征是該設(shè)備還包括用于處理任何由反射微波產(chǎn)生的信號(hào)的裝置。
7.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波系統(tǒng)還包括為每個(gè)微波發(fā)射器安裝一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管，以便開(kāi)關(guān)二極管可以短路相應(yīng)的微波發(fā)射器。
8.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波發(fā)射器被安裝成響應(yīng)單一頻率的共振結(jié)構(gòu)。
9.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是每個(gè)微波發(fā)射器響應(yīng)單一的共振頻率，該頻率不同于其它微波發(fā)射器的共振頻率，其中微波系統(tǒng)還包括一個(gè)裝置，它用于電調(diào)諧所生成微波的頻率，以便通過(guò)隨變化的頻率來(lái)產(chǎn)生微波，使每個(gè)微波發(fā)射器變得順序有效。
10.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波發(fā)射器陣列負(fù)荷一個(gè)類似空腔諧振器的諧振結(jié)構(gòu)。
11.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波系統(tǒng)包括兩個(gè)傳輸系統(tǒng)，一個(gè)傳輸系統(tǒng)用于在一個(gè)偏振中傳送所生成微波和被反射微波；另一個(gè)傳輸系統(tǒng)，被與第一個(gè)傳輸系統(tǒng)隔絕，用于在一個(gè)偏振系統(tǒng)中傳送被反射微波，該偏振系統(tǒng)與所生成微波的偏振系統(tǒng)不同或與之相等。
12.依據(jù)上述3到6的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其特征是微波接收器的數(shù)量和微波探測(cè)器的數(shù)量與微波發(fā)射器的數(shù)量相等。
全文摘要
一個(gè)復(fù)制設(shè)備，用于復(fù)制包括一個(gè)基底材料的證券。該設(shè)備包括一個(gè)壓板，用于構(gòu)成一個(gè)掃描區(qū)域，并且在其一側(cè)放置證券；掃描裝置，用于對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行掃描；用于在掃描區(qū)域和證券兩者之間獲得一個(gè)相對(duì)移動(dòng)以便允許掃描的裝置。掃描裝置包括一個(gè)微波系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微波收發(fā)信機(jī)構(gòu)成，這些收發(fā)信機(jī)的排列成一排，使之可以探測(cè)到微粒的存在，這些微粒有與基底材料的電磁特性有本質(zhì)不同的電磁特性，并且這種微粒被加入到證券的至少一部分，與證券在掃描區(qū)域的位置無(wú)關(guān)。
文檔編號(hào)G01N22/00GK1143419SQ95191905
公開(kāi)日1997年2月19日 申請(qǐng)日期1995年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月4日
發(fā)明者約翰·塞姆, 瓦特·范 申請(qǐng)人:貝克特股份有限公司