・630・ 应用光学2008,29(4) 黄鹰,等:基于荧光光谱法的钞票识别技术 荧光光谱效应进行真假币的荧光光谱法识别。 1 荧光光谱法光电检测系统 荧光光谱法钞票防伪光电检测系统如图1所 示。用紫光灯光源发出的光照射钞票荧光防伪标志 激发出荧光,用光导纤维将获取人民币防伪标志激 发出的荧光导入光栅式单色仪入射狭缝,由正弦机 构进行波长扫描,出射狭缝输出不同波长的单色 光,通过光电倍增管探测器可获得试样在各种波长 下的荧光光谱强度。利用单片机AD转换与RS232 串口传输接入计算机,经计算机VC++编程处理 得到荧光标记的荧光光谱曲线。 入缝 管 图l 光电检测系统图 Fig.1 Photoelectric detecting system 1.1荧光光谱光学系统 1.1.1 光源 采用紫光灯作为光源。紫光灯亦称黑色(管壁 黑色)荧光灯,开灯后呈紫色光,不完全等同于紫外 线灯,但其中含有长波紫外线,波长在350 nm~ 400 nm,主峰波长为380 nm。它适用于验证防伪 标记。 1.1.2 光栅分光系统 基本结构由4部分组成:1)入射狭缝;2) 光栅;3)正弦机构;4)出射狭缝。 1.2光电倍增管探测器 光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发 射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸 出的光电子倍增,是一种具有极高灵敏度和超快时 间响应的光探测器件,可广泛应用于光子计数、极 微弱光探测、分光光度计等仪器设备中。其优点是 测量灵敏度高,可以测量比较暗弱的天体,也可以 测量天体光度的快速变化。常采用多硷光阴极和砷 化镓阴极的光电倍增管,后者量子效率最大可达 5O%。光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系 统、倍增系统和阳极5部分组成,其工作原理图如 图2所示。 ..1100V-IOOOV..800V—-600V-400V-200V 图2光电倍增冒工作原理图 Fig.2 Working principle of photomultiplier 在光照下,阴极由外光电效应产生电子聚焦打 在第一打拿极D1的表面上,产生二次电子发射。在 各打拿极D1,D2,D3,…,D10和阳极A上逐渐增 高的正电场作用下,产生更多的二次发射电子(二 次发射系数大于1)。每个光电子被激发成倍增的二 次发射电子,最后被阳极收集,输出一较大的电流 信号。倍增管需要直流供电,1O个倍增极电压相对 阴极逐级升高,一般采用电阻链升压来供电,如图3 所示 。 K C4输出 Dl D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DI 1卜—0 Rl2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 一HV C1 C2 C3 图3光电倍增管RC偏置电路的基本形式 Fig.3 Basic form of RC bias circuit in photomultiplier 1.3荧光检测采样电路 1.3.1放大滤波电路 由于荧光检测是对微弱信号进行采样,所以仅 由光电倍增管探测信号强度是不够的,故需要放大 500~1 000倍的放大滤波电路,再接上AD转换电 路,这样才能与计算机进行串口通信,放大滤波电 路如图4所示。 1.3.2 A/D转换与单片机串行通信电路 单片机A/D转换处理与串口通信框图如图5 所示。从放大滤波电路出来的是模拟信号,要送入 单片机和微机前必须经过数字化处理。选用经典的 ADC0809和AT89C51(ADC0809的通道IN1输入 (O~5)V之间的模拟量,通过ADC0809转换成数 字量)送入单片机。单片机通过串行通信将数据送 入微机进行进一步的处理(见图5)。 8051单片机有一个全双工的串行通信口,所 以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通信。目 前较为常用的串口有9针串口(DB9)和25针串口 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用光学 2008,29(4) 黄鹰,等:基于荧光光谱法的钞票识别技术 ・631・ C5 T 图4放大滤波电路 Fig.4 Amplifier and filtering circuit 计时充分利用Visual C++提供的MFC构建单文 档(SDI)界面,视图实现控制面板和绘图区域的同 步显示,Windows对话框与普通窗口的消息处理 图5单片机处理与串口通信框图 都比较直观明确。这里采用MFC为PC机主控程 Fig.5 Block diagram of MCU processing and 序,如图8所示。 serial communication (DB25),通信距离较近时(<1 2 m),可以用电缆 线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较 远),若距离较远,需附加调制解调器(MODEM)。 最为简单且常用的是三线制接法,即地、接收数据 和发送数据三脚相连。进行串行通信时需满足一定 条件,比如电脑的串口必须是RS232电平的,而单 片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个 电平转换电路,我们采用了专用芯片MAX232进 图7数据采集线路实物图 Fig.7 Sample of data acquisition circuit 行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换, 但用专用芯片更简单可靠。本文直接把PC和单片 程序启动 机串口与RS232相连,如图6所示。图7为荧光检测 采样电路实物图。 创建主框架 1 F vcc 1 TUF PC 创建用户控制台I l创毪 应 89C51 C1 VCC RXD 匡 Vs+ GND CI- TIOUTTXD ..RIlNC2 - R】OUT oND v s.T打开串口,并启动 lJNT2OUT T2IN 串口监视线程 GND R21N R2OUT MAX232 用户选择不同工作方 图6单片机与PC机串行通信接口 式,配合串口监视线 程进行数据采集 Fig.6 Interface of SCM and PC serial communication 1.4计算机VC++采样程序设计 图像显示和保存 PC机采集到数据后就可以依据设计要求对数 据进行加工,把结论以曲线或图表的形式表示出 程序结束 来,根据需要提供数据保存和图像保存。除此之外, 图8主控程序框架 主控程序还应提供用户与计算机的人一机界面。设 Fig.8 Flow chart of main control program 维普资讯 http://www.cqvip.com ・632・ 应用光学2008,29(4) 黄鹰,等:基于荧光光谱法的钞票识别技术 2光谱分析系统实验 1)将光电倍增管对准光栅单色仪出射狭缝 处,并配以高压电源和电压调节装置。光电倍增管 的输出端接同轴电缆线和放大滤波电路输入端。把 假人民币固定,打开紫光灯,以一定的角度照亮假 人民币的防伪标志,用集簇光缆把反射的荧光导向 单色仪的入射狭缝。调节单色仪的波长,在紫外和 可见光的波长间采集数据。 2)调节出射波长(从300 nm到650 nm),每 隔10 nm记录一次数据。 3)换上真币,重复实验3~4次,记录数据。真 假币的实验光谱曲线如图9和图10所示。 图9真币光谱曲线图 Fig.9 Spectrogram of true banknote 由于我们采用的光源是紫光灯,部分紫光进入 了光学系统,所以光谱图在380 nm附近有一个凸 起。通过真假人民币光谱图的对比可看出:真币防伪 标志受激发的荧光光谱波峰在545 nm左右,假币防 伪标志受激发的荧光光谱波峰在525 nm附近。 790 0 r●_ 、 被长/p 巴匾][圈 匝亘圃圆 图10假币光谱曲线图 Fig.1 0 Spectrogram of counterfeit banknote 在光谱图10中可以发现,在测试波长段内有2 个峰值,左边的峰值为光源光谱波峰,右边的光谱 波峰为防伪标志的激发荧光光谱。通过对实验结果 的分析可知,真假币受激发出的荧光光谱具有明显 的区别,可以通过本文设计的光电只读光谱仪识别 真假币。 3 结论 研制出弱光谱检测光电系统。选择光栅单色仪 分光系统,设计光电倍增管放大滤波电路,完成了 单片机软硬件设计及制作,实现了AD转换及 喜彗 RS232串行通信。通过设计计算机VC++程序,实 现了串行通信和荧光光谱计算机采集计算与显示。 采用荧光光谱分析方法,通过对真假币光谱检测, 得到真假币的荧光光谱曲线,荧光光谱曲线明显地 反映出真假币的光谱特性差别,达到识别钞票真伪 的目的。 参考文献: [1] 唐春晖,沈伟良.全自动人民币伪币鉴别仪的设计 [J].仪表技术,2006(3):23—24. TANG Chun—hui.SHEN Wei—liang.Design of fully automatic discriminating machine for fake RMB ̄J_] .Instrumentation Technology,2006(3):23—24.(in Chinese) [2]陈树根,江和平,周高杯.基于荧光光谱分析的钞票识 别研究[J].红外与激光工程,2001,30(4):174—177. CHEN Shu—gen,JIANG He—ping,ZHOU Gao—bei. Study of the banknote recognition based on the lfuorescence spectral analysis[J].Infrared and Laser Engineering,2001,30(4):174—1 77.(in Chinese) [3]朱凤芝.紫外荧光信号拾取及鉴别方法研究[J].天 津职业技术师范学院学报,2004,14(2):35—37. ZHU Feng—zhi.Research on the signal pick—up and discriminating method with ultraviolet fluorescent mark ultraviolet fluorescent mark true—false discrimination[J].Journal of Tianjin University of Technology and Education,2004,14(2):35—37.(in Chinese) [4]孙茂印,江和平.钞票多光谱光电信号的分析_J].红 外与激光工程,2001,30(1):56—59. SUN Mao—yin, JIANG He—ping. Analysis of photoelectric signal about multi—spectroscopic of banknote[J].Infrared and Laser Engineering,2001, 30(1):56—59.(in Chinese) [5] 陈伟,赵艳华.银行纸币鉴伪系统设计[J].自动化技 术与应用,2003,22(3):53-56. CHEN Wei, ZHA0 Yan—hua. System for discriminating counterfeit[j].Techniques of Automation&Application,2003,22(3):53—56.(in Chinese) (下转第638页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
・638・ 应用光学2008,29(4) 陈立刚,等:非理想正交反射镜消偏性能的模拟研究 模型中提出的2类角度误差(3个自由度参数)描述 JING Yu—lan,JIANG Xiang—dong,ZHANG Huai— 了非理想正交反射镜对偏振光束的辐射度和偏振 WU.Process analysis of laser reflective mirror and 度精度的影响。模拟计算表明:正交镀银反射镜的 induce transmittance filter(ITF)[J].Journal of Applied Optics,2004,25(2):62-64.(in Chinese) 偏振特性最小,在工程上把角度误差控制在0.5。以 [3] TRAVIS L D.Remote sensing of aerosols with the 内,正交镀银反射镜的偏振特性对偏振遥感器的影 earth observing scanning polarimeter[J].SPIE, 响不大。最后给出了正交反射镜各种角度误差对光 1992,1747:154—164. 束的辐射偏振特性的影响,为正交反射镜加工装调 [4] MAYM0N P W,CHIPMAN R A.Linear polari— 提供了一定的参考价值。考虑金属反射镜的普遍 zation sensitivity specifications for space-borne 性,本文没有考虑金属反射镜上镀其他保护膜层对 instruments[J].SPIE,1992,1746:148—156. [5] WALUSCHKA E,SILVERGLATE P,FTACLAS 偏振遥感器的影响。c[J].Polarization sensitivity analysis of an earth remote sensing instrument:the MODIS—N phase B 参考文献: study口].SPIE,1992,1746;96—103. 1-1]刘勺斌,杨洪波.一种用于光机热集成分析的新方法 [6] 潘君骅.测试计量技术手册[M].北京:中国计量出版 ——干涉图插值法[J].应用光学。2007,28(5);553— 社,1997. 558. PAN Jun—hua.Handbook of measurement tech— LlU Shao—bin, YANG Hong—bo. NeW data nology[M].Beijing:Chinese Measurement Press, transform method for thermal/mechanical/optical 1997.(in Chinese) integrated analysis:interferogram interpolation[J]. [7] 阿查姆,巴夏拉N M.椭圆偏振测量术和偏振光 Journal of Applied Optics,2007,28(5):553—558.(in [M].北京:科学出版社,1986. Chinese) AZZAM R M A,BASHARA N M.Ellipsometry [2] 荆玉兰,蒋向东,张怀武.激光反射镜与诱导透射滤光 and polarized light[M].Beijing:Science Press,1986. 片工艺分析[J].应用光学,2004,25(2):62—64. (in Chinese) (上接第632页) [6]杨中东,雷玉堂.基于神经网络的钞票真假识别研究 [7]程望斌,黄鹰.光谱法测定室内空气中甲醛浓度LJ]. [J].光学与光电技术,2006,4(5):108—111. 应用光学,2007,28(1):105—108. YANG Zhong—dong,LEI Yu—tang.Identification of CHENG Wang—bin,HUANG Ying. Indoor counterfeit banknote based on neural networks[J]. formaldehyde concentration detect ion with Optics and Optoelectronic Technology,2006,4(5): spectroscopic analysis[J].Journal of Applied 1O8 1lL(in Chinese)0ptics,2007,28(1):1O5—108.(in Chinese)
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