Po prostu nie można sobie wyobrazić badania dokumentów bez źródeł światła ultrafioletowego: od zwykłych użytkowników po ekspertów kryminalistycznych, wszyscy polegają na badaniu dokumentów lub banknotów w ultrafiolecie (UV). Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak wybór źródła UV może wpłynąć na wyniki?
W tym artykule przeanalizujemy dwa najpopularniejsze źródła światła ultrafioletowego – lampy UV i diody LED UV – i wyjaśnimy podstawowe różnice, które mają znaczenie dla specjalistów.
Przejdźmy przez szczegóły krok po kroku.
Czym jest fluorescencja?
Fluorescencja to zjawisko fizyczne, w którym materiał pochłania światło o niższej długości fali (zwykle ultrafioletowe) i natychmiast emituje światło o wyższej długości fali (zwykle widzialne). Emitowane światło pojawia się jako poświata i znika natychmiast po usunięciu światła wzbudzającego.
Paszport Korei Południowej wydany w 2021 r. w świetle białym i ultrafioletowym.
W dokumentach tożsamości fluorescencja w świetle UV jest jednym z najczęściej stosowanych zabezpieczeń i działa w dwóch głównych zakresach:
- Długofalowe UV-A – 365 nm
- Krótkofalowe UV-C – 254 nm
Rzadziej, ale nadal stosowane, jest promieniowanie UV-B, które w dokumentach zabezpieczających jest zwykle reprezentowane przez długości fal 308-313 nm w zależności od producenta dokumentu.
Polski dowód osobisty wydany w 2021 roku. Wzór UV zmienia kolory z niebieskiego przy długości fali 365 nm na różowy przy długości fali 313 nm.
Aby zbadać fluorescencję ultrafioletową dokumentów tożsamości, specjaliści używają specjalnych urządzeń – lup, czytników dokumentów, ręcznych urządzeń kontrolnych lub komparatorów wideo spektralnych – wyposażonych w źródła ultrafioletowe wykorzystujące światło o różnych długościach fal.
Samo źródło może być tradycyjną lampą UV lub diodą LED UV. Oba służą temu samemu celowi, ale jak wpływają na wyniki badania?
Diody LED a lampy
Diody LED i lampy (na przykład niskociśnieniowe lampy rtęciowe) mają wiele różnic, jeśli chodzi o działanie w zakresie ultrafioletu, zwłaszcza około 254 nm. Oto główne różnice:
| Parametr | LED-y | Lampy |
| Mechanizm emisji | Emisja następuje w wyniku rekombinacji elektronów i dziur w materiale półprzewodnikowym. W przypadku diod LED UV stosowane są specjalne materiały, takie jak azotki glinu i galu. | Emitują one światło UV poprzez wyładowanie rtęciowe. Atomy rtęci ulegają wzbudzeniu, a gdy powracają do stanu podstawowego, emitowany jest foton o długości fali 254 nm. |
| Wydajność | Zwykle mają wysoką wydajność energetyczną, ponieważ większość energii jest przekształcana w światło. | Wydajność może być niższa ze względu na straty ciepła i potrzebę rozgrzania lampy w celu wytworzenia wyładowania. |
| Rozmiar i kształt | Kompaktowe i łatwe do zintegrowania z różnymi urządzeniami. Ich kształt i rozmiar mogą się znacznie różnić. | Zwykle są bardziej masywne i wymagają specjalnej konstrukcji w celu utrzymania rozładowania. |
| Czas potrzebny na rozpoczęcie pracy | Włącza się niemal natychmiast i od razu osiąga pełną jasność. | Może potrzebować czasu na rozgrzanie przed osiągnięciem pełnej jasności. |
| Okres użytkowania (żywotność) | Zwykle mają długą żywotność, często ponad 10 000 godzin pracy. | Żywotność może być znacznie krótsza i zależy od warunków pracy. |
| Stabilność termiczna | Mogą pracować w szerszym zakresie temperatur i są mniej wrażliwe na zmiany temperatury. | Wrażliwy na temperaturę otoczenia i może wymagać dodatkowego chłodzenia lub ogrzewania. |
| Wpływ na środowisko | Nie zawierają rtęci ani innych szkodliwych substancji, dzięki czemu są mniej szkodliwe dla środowiska. | Zawierają rtęć, która wymaga specjalnych procedur utylizacji. |
Różnice te sprawiają, że diody LED są preferowane w wielu zastosowaniach, zwłaszcza tam, gdzie ważne są kompaktowe rozmiary, długa żywotność, wydajność i bezpieczeństwo dla środowiska. Jednak lampy 254 i 313 nm są nadal używane w urządzeniach do uwierzytelniania dokumentów ze względu na ich niski koszt.
Różnice między diodami LED a lampami działającymi na długości fali 254 nm nie kończą się jednak na tym. Różnią się one również
- Zakresem emitowanego widma;
- Czystością widma;
- Stabilnością długości fali.
Rozważmy każdy punkt po kolei.
1. Zakres emitowanego widma
Diody LED zazwyczaj emitują światło w wąskim zakresie długości fal. Na przykład, dioda LED UV 254 nm będzie emitować głównie w małym paśmie widmowym wokół tej długości fali, z typową pełną szerokością w połowie maksimum (FWHM) rzędu ~15 nm. Widmo emisji diod LED jest bardzo wąskie, co pozwala im wytwarzać niemal monochromatyczne światło.
Widmo emisji diody LED 254 nm. Brak mierzalnych pasożytniczych pików w mierzonym zakresie.
Widmo emisyjne diody LED 313 nm. Brak mierzalnych pasożytniczych pików w mierzonym zakresie.
Ponieważ diody LED UV mogą mieć niewielką emisję rozproszoną w zakresie widzialnym, używamy filtrów optycznych do tłumienia światła widzialnego i utrzymywania pasma oświetlenia tak czystego, jak to tylko możliwe.
Niskociśnieniowe lampy rtęciowe używane do generowania promieniowania UV o długości fali 254 nm mają linie widmowe związane z przejściami w atomach rtęci. Główna linia przy 254 nm jest dość wąska, ale lampa może również emitować inne linie zarówno w zakresie UV, jak i widzialnym. Lampy rtęciowe mają kilka dyskretnych linii w widmie, co sprawia, że ich emisja widmowa jest bardziej złożona.
Widmo emisyjne lampy 254 nm. Pasożytnicze piki widmowe przy długościach fal 313, 365 i 405 nm.
Ten wykres przedstawia widmo emisji lampy o długości fali 313 nm. Pasożytnicze piki widmowe przy długościach fal 254, 365 i 405 nm.
Ten wykres przedstawia widmo emisji aktywowanej lampy 254 nm wraz z pobliską lampą 313 nm, która nie jest włączona. Lampa 313 nm wykazuje jednak niewielką fluorescencję spowodowaną wzbudzeniem przez aktywną lampę 254 nm.
Jak widać, wszystkie trzy wykresy lamp UV pokazują ten sam powtarzający się wzór: obecność pasożytniczych pików widmowych. Dla lampy UV 254 nm jest to 313, 365 i 405 nm, a dla lampy UV 313 nm odpowiednio 254, 365 i 405 nm. Te pasożytnicze emisje mogą wzbudzać fluorescencję przy innych długościach fal.
2. Czystość widma
Na podstawie poprzedniego akapitu widzimy, że diody LED zapewniają wysoką czystość widma i wąski pik emisji, co czyni je idealnymi, gdy trzeba selektywnie wzbudzić określony element bezpieczeństwa i uniknąć niezamierzonej fluorescencji z sąsiednich pasm.
Chociaż lampy rtęciowe zapewniają silną emisję przy 254 nm (wąski pik), mogą również emitować dodatkowe długości fal, co może być niepożądane w niektórych zastosowaniach.
3. Stabilność długości fali
Diody LED charakteryzują się wysoką stabilnością długości fali, o ile prąd i temperatura są utrzymywane na stałym poziomie. Lampy rtęciowe mogą wykazywać niewielkie wahania długości fali spowodowane zmianami ciśnienia i temperatury wewnątrz lampy.
Teraz, mając na uwadze cechy i charakterystykę widmową lamp UV i diod LED UV, warto przejść do jednego z najważniejszych aspektów prowadzenia badań, a mianowicie materiału, z którego jest obiekt badany został wykonany.
Dlaczego poliwęglan i promieniowanie ultrafioletowe nie są przyjaciółmi?
Większość nowoczesnych dokumentów tożsamości jest wykonana w całości z poliwęglanu (prawa jazdy i dowody osobiste) lub zawiera stronę z danymi z poliwęglanu (paszporty). Wybór na rzecz poliwęglanu został dokonany, ponieważ jest on trwały, dość odporny na ciepło, wilgoć i naprężenia mechaniczne, a także wspiera integrację zaawansowanych funkcji bezpieczeństwa, znacznie utrudniając podrabianie.
Jednak ze względu na swój skład, poliwęglan w znacznym stopniu pochłania głębokie promieniowanie UV; poniżej ~ 300 nm (zwłaszcza przy 254 nm) transmisja jest bardzo niska. Światło po prostu nie może przeniknąć przez warstwy dokumentu, aby wzbudzić jakiekolwiek fluorescencyjne tusze lub włókna wewnątrz. Tak więc, nawet jeśli dokument zawiera wzory wydrukowane przy użyciu atramentów ultrafioletowych, które świecą przy długości fali 254 nm, nie zostaną one wzbudzone z powodu poliwęglanu.
Paszport Gruzji wydany w 2025 roku. Dokument świeci w zakresach widmowych UV-A i UV-B, ale nie wykazuje fluorescencji w UV-C.
W rezultacie dokumenty tożsamości – niezależnie od tego, czy zawierają wkładkę poliwęglanową, czy są wykonane w całości z poliwęglanu – nie mogą zawierać świecących wzorów widocznych w świetle ultrafioletowym o długości fali 254 nm. Wszystkie zabezpieczenia reagujące na promieniowanie UV w takich dokumentach są zaprojektowane tak, aby reagować tylko na światło UV-A i UV-B, około 365 i 313 nm.
Podstępne światło ultrafioletowe
Ale wyobraźmy sobie, że natknęliśmy się na zdjęcie nowoczesnego dokumentu z poliwęglanu sfotografowanego w świetle UV-A, UV-B i UV-C – coś, co wydaje się zaprzeczać wszystkiemu, co właśnie omówiliśmy. Jak to możliwe, skoro poliwęglan w ogóle nie przepuszcza światła UV-C?
Przeprowadziliśmy eksperyment z kartą próbną atramentu ekranowego QFX, która jest wykonana z papieru i zawiera zastosowane atramenty reagujące na UV 365 nm (niebieski), UV 313 nm (czerwony) i UV 254 nm (żółty).
W pierwszej rundzie uchwyciliśmy kartę z próbką atramentu w stanie, w jakim jest, przy użyciu lamp ultrafioletowych LED.
Zdjęcia wykonane przy użyciu komparatora widma wideo Regula 4306, od lewej: UV 365, UV 313, UV 254. Fluorescencja zachowuje się zgodnie z opisem producenta.
Następnie pokryliśmy kartę z próbką atramentu folią poliwęglanową o grubości 200 mikronów.
Zdjęcia wykonane przy użyciu komparatora widma wideo Regula 4306, oświetlenie jak wyżej. Fluorescencja przy długości fali 254 nm zanika, ponieważ film pokazuje się jako filtr odcinający dla wszystkich długości fal poniżej 300 nm.
Następnie powtórzyliśmy te same procedury, ale przy użyciu lamp ultrafioletowych. W pierwszym rzędzie znajdują się zdjęcia wykonane pod lampami ultrafioletowymi o różnych długościach fal.
Fluorescencja nieosłoniętej papierowej karty próbki w różnych zakresach UV jest taka sama jak przy użyciu LED-ów.
Zobaczmy teraz kartę z próbką atramentu pokrytą folią poliwęglanową o grubości 200 mikronów.
Przy długości fali 254 nm obraz UV jest widoczny ze względu na niemonochromatyczne promieniowanie lampy. Obraz pojawia się jako reakcja na promieniowanie 313 i 365 nm.
Aby wyjaśnić to zjawisko, musieliśmy stworzyć wykres przedstawiający widmo transmisji poliwęglanu o grubości 200 mikronów.
Widmo transmisyjne poliwęglanu pokazuje, że skutecznie działa on jako filtr, blokując promieniowanie UV-C. Granica transmisji może wynosić około 280 nm (w zależności od producenta poliwęglanu).
Innymi słowy, jeśli obiekt wydrukowany za pomocą atramentów zaprojektowanych do luminescencji poniżej 254 nm jest pokryty laminatem poliwęglanowym, promieniowanie wzbudzające nie dotrze do atramentów: zostanie pochłonięte przez warstwę poliwęglanu.
Jak zauważyliśmy wcześniej, na wykresie widma emisji lampy 254 nm występują pasożytnicze piki widmowe przy 313, 365 i 405 nm. Ponieważ poliwęglan nie przepuszcza promieniowania ultrafioletowego poniżej 280 nm, ale pozwala na przejście długości fal powyżej tego progu, wzory ultrafioletowe dostrojone do pasm 313 nm i 365 nm mogą być nadal wzbudzane i świecić. Efekt ten może stwarzać fałszywe wrażenie fluorescencji indukowanej przez światło UV-C, podczas gdy w rzeczywistości jest ona powodowana przez te pasożytnicze emisje o wyższej długości fali.
W rzeczywistości, jeśli połączymy obraz pod 365 nm, który świeci na niebiesko, i obraz pod 313 nm, który jest głównie czerwony, otrzymamy mieszaną odpowiedź (fioletową poświatę) napędzaną przez pasożytnicze linie lampy 313 nm i 365 nm (niebieski + czerwony = fioletowy). To dodatkowo potwierdza, że w rozważanym przez nas przykładzie widzimy fałszywą poświatę pod 254 nm, która jest słabą poświatą wzbudzonych atramentów UV-A i UV-B.
Do jakich wniosków możemy dojść?
Widmo emisji diod LED jest bardzo wąskie, co oznacza, że nie wzbudzają one sąsiednich długości fal. Z kolei lampy ultrafioletowe o długości fali 254 nm mają niemonochromatyczną emisję ze względu na dodatkowe linie widmowe, które mogą powodować „fałszywe” wzbudzenie fluorescencji UV przy długościach fal powyżej 300 nm. Jest to ważne, ponieważ „prawdziwa” fluorescencja ultrafioletowa przy 254 nm jest niemożliwa do zaobserwowania w przypadku materiałów poliwęglanowych, ponieważ podłoże nie przepuszcza światła w tym zakresie.
Kluczowe wnioski
- Diody LED UV zapewniają wąskopasmowe oświetlenie o wysokiej czystości widmowej.
- Lampy UV mogą emitować dodatkowe linie widmowe, które nieumyślnie wzbudzają cechy UV-A/UV-B.
- W przypadku dokumentów poliwęglanowych, pozorna „fluorescencja 254 nm” może być fałszywym efektem spowodowanym pasożytniczą emisją powyżej odcięcia.
Dlaczego Regula wierzy w diody LED
Regula integruje źródła światła LED w rozwiązaniach sprzętowych dla kryminalistyki od 1998 roku, przyjmując oświetlacze LED dla nowych zakresów widmowych, gdy tylko stały się dostępne. W 2024 r. firma wdrożyła najnowsze przejście na LED we wszystkich komparatorach, zastępując tradycyjne lampy UV-B i UV-C źródłami LED.
W rezultacie komparator widma wideo Regula 4306 jest teraz w pełni wyposażony w oświetlacze LED, a 99% źródeł światła w innych komparatorach Regula również wykorzystuje technologię LED.
Chociaż diody LED są droższe, Regula integruje je, ponieważ wierzymy, że zapewniają lepszą wydajność, bardziej wiarygodne wyniki. Ochrona środowiska związana z dłuższym okresem eksploatacji i mniejszym zużyciem energii to wisienka na torcie atutów diod LED UV względem lamp UV.
Oryginalny tekst artykułu znajdziesz pod poniższym linkiem/The original text of the article can be found at the link: https://regulaforensics.com/blog/uv-leds-in-forensics/
