本发明涉及用于商品、制品和文件的识别和鉴别的安全标签。
发明背景
光学可变装置(opticallyvariabledevice,ovd)是在各种类型文件(例如，身份证、护照、签证、银行卡)上的常用保护性元件——参见书籍“光学文件安全(opticaldocumentsecurity)”,r.l.vanrenesse编,artechhouse,(1998)。主要使用全息图和其他衍射元件，因为它们的保护值基于微米和亚微米结构的复杂性。制造是复杂并且昂贵的过程，其最终结果是主全息图——单一、独特的原型(prototype)。为了使保护是商业上可接受的，复制并且倍增主全息图，得到用于压印至之后使用热工具整合至文件中的塑料箔中的复制品垫片。最终结果是具有完全相同的保护性ovd的一系列文件。这是明显的缺点，因为如果伪造ovd，则可以制造大量的假文件。
作为结果，对于简单且平价的文件个性化方法，存在持续的研究。这使得伪造困难得多，因为需要单独复制每个文件，即假文件的大规模生产变得不可能。然而，借助仅印刷数字的一般个性化将不会有效，因为如果使用现代印刷技术(例如激光印刷)，其过于简单且平价。因此，带有个性化的特征必须拥有大量的复杂性以及强的、不可重复的、独特的性质。它们需要在其独特性方面与生物计量学特征(如：指纹、虹膜和视网膜图案)相当，但是明显更复杂并且微小。目前使用的ovd安全方法并不非常适用于个性化(指纹识别)，因为这将会明显增加生产价格。
得到“指纹”文件的尝试基于物理单向函数的理念(c.boehm,m.hofer,“在理论和实践中的物理不可克隆函数(physicallyunclonablefunctionsintheoryandpractice)”,springer,2013)——其是制造简单但是极难逆向改造和复制的物理装置。随机结构对于文件安全来说可以是高度明显的，因为它们提供简单且廉价的生产，几乎不可能重新开始和具有独特的特征。提出了用随机分散的物体如金属、荧光或光学纤维标记文件(vanrenessebook，和在其中的参考文献)。
使用纸系基板的天然纤维状结构(j.d.r.buchanan,r.p.cowburn,a-v.jausovec,d.petit,p.seem,g.xiong,d.atkinson,k.fenton,d.a.allwood,m.t.bryan,“‘指纹识别’文件和包装(‘fingerprinting’documentsandpackaging)”,nature436,(2005)475)。激光束从纸表面散射并且观察和记录其统计资料。然而，这需要作为缓慢过程的文件表面的大规模扫描，并且纸结构可能受印刷和日常使用的强烈影响。
在r.pappu,b.recht,j.taylor,n.gershenfeld,“物理单向函数(physicalone-wayfunctions)”,science297,(2002)2026-2030中描述了又一个技术，其中来自嵌入在透明基板中的塑料球体的无序阵列的介观(mesoscopic)散射用于构建物理单向函数。系统的响应强烈取决于照射方向，再次产生独特的个性化特征。所提出的方法受对介观散射的物理要求的限制，得到具有2.5mm厚度的10mmx10mm尺寸的标签，其不适合用于现代塑料卡技术。此外，散射粒子的尺寸相当大——直径为500-800μm，具有100μm的平均间隔——得到可以通过如显微断层扫描的技术进行逆向改造的大体积系统。
公知常识是，生物的特定天然特征是本质上复杂的并且难以再现。这由benjaminfranklin首先实现，他将其用于文件保护(farleygrubb,“benjaminfranklin和纸币经济的起源(benjaminfranklinandthebirthofthepapermoneyeconomy)”,基于2006年3月30日的演讲的文章，由费城联邦储备银行(federalreservebankofphiladelphia)出版)。他制作了植物树叶的模型(cast)(正确识别其脉序的独特性)并且将其用于印刷第一批美元钞票。由于进一步的技术进步，franklin的方法变得过时，并且被不同的印刷技术代替，如：凹版印刷(intaglio)、玑镂(guilloche)、水印、全息图等。
也在领域中观察到天然结构的复杂性。日本画家使用鱼印刷(鱼拓(gyotaku))以将鱼特征直接转移，而不是描绘它们。后来，leonardodavinci在纸上直接印刷叶脉序，而荷兰画家ottomarseusvanschrieck将蝴蝶翅膀鳞片转移至其画布(s.berthier,j.boulenguez,m.menu,b.mottin,“在vanschrieck杰作中的蝴蝶内含物。技术和光学性质(butterflyinclusionsinvanschrieckmasterpieces.techniquesandopticalproperties)”,appl.phys.a,51-57,(2008))。今天，所有技术都具有常用的名称：自然印刷(natureprinting)(r.newcomb,“用于制造自然印刷物的方法(methodforproducingnatureprints)”,us4279200a,(1981)，c.f.cowan,“蝴蝶翅膀印刷物(butterflywing-prints)”，j.soc.biblphy.nat.hist.,4(1968)368-369,d.g.edwards,“在薄胶纸上采用蝴蝶图形的收据(areceiptfortakingfiguresofbutterfliesonthingummedpaper)”，在关于自然历史和其他各种各样主题的文章中,pg.117)。
专利wo2007031077(a1)3/2007,c.hamm-dubischar,“用于表征用于证明生产用可靠性方法及其用途的产品的无机标记粒子”和de10238506a1,3/2004,h.rauhe,“带有的生产信息的微颗粒混合物参与限定可以使用选自例如形态的自然的或随后应用的粒子特征实施的代码(producinginformation-bearingmicro-particulatemixturesinvolvesdefiningcodethatcanbeimplementedusingnaturalorsubsequentlyappliedparticlecharacteristicsselectedfrome.g.morphology)”公开了关于根据其表面的特征而利用水生生物无机壳(如硅藻和放射虫)的自然复杂性的文件保护的构想。然而，实施方法未被公开。另一个问题是，光学效果并不非常显著，并且仅能够在亚波长水平使用电子显微镜观察到复杂性。也未描述用于估算复杂性的程度的技术。相同物种的样本之间的变化相当小。就此而言，方法可以仅用于法医水平的文件鉴别。
最近，存在旨在利用自然界中用于文件保护的光学原理的大量研究——仿生学(biomimetics)(j.sun,b.bhushanandj.tong,“自然界中的结构着色(structuralcolorationinnature)”,rscadv.,2013,3,14862-14889,b.yoon,j.lee,i.s.park,s.jeon,j.lee,j-m.kim,“用于防止和检测伪造的近期基于功能性材料的方法”,j.mater.chem.c1,(2013)2388-2403)。还观察了生物结构的可变性(l.p.biro和j-p.vigneron,“在蝴蝶和甲壳虫中的光子纳米结构：关于生物灵感的有价值来源(photonicnanoarchitecturesinbutterfliesandbeetles:valuablesourcesforbioinspiration)”,laserphotonicsrev.5,no.1,27-51(2011))。将生物膜版化用于使用金属制造蝴蝶鳞片状结构(s.sotiropoulou,y.sierra-sastre,s.s.mark,和c.a.batt,“生物膜版化纳米结构材料(biotemplatednanostructuredmaterials)”,chem.mater.2008,20,821-834)。
上述随机化系统必须是机器检查的，基于使用随后的光学或微波检测的辐射散射(在金属夹杂物的情况中)。记录的图案被加密并且储存在中央存储库中或在文件本身上。使用公钥加密方法，如在以下报告中描述：“用于下一代货币设计的防伪特征(counterfeitdeterrentfeaturesforthenextgenerationcurrencydesign)”,下一代货币设计委员会(committeeonnext-generationcurrencydesign)、国家材料顾问委员会(nationalmaterialsadvisoryboard)、工程与技术系统委员会(commissiononengineeringandtechnicalsystems)、国家研究理事会(nationalresearchcouncil),publicationnmab-472,(1993)，章节：随机图案/加密防伪概念,pg.74-75和附录e：“用于鉴别唯一随机(uniquerandom)的方法”,pg.117-119。技术基于两种密钥：用于加密的秘密密钥，和用于解密的公钥。
所有方法均利用自然结构的复杂性但是在文件保护的情况下其可变性保持完全未被利用。文件可变性反而通过将粒子状或线状实体随机分散在整个文件中而获得，如在专利文献(us8408470b2,2013,n.komatsu,s-i.nanjo,“真伪认证对象物、真伪认证芯片读取装置以及真伪判定方法(objectforauthenticationverification,authenticationverifyingchipreadingdeviceandauthenticationjudgingmethod)”)中描述。
发明概述
本发明解决了当前使用的文件安全特征(例如全息图和其他ovd)的雷同性而使其易受伪造影响的问题。当前，安全元件对于相同类型的文件(护照、签证、信用卡)来说是相同的，而不具有在单独文件之间的可变性。这使得伪造过程变得容易，因为一旦进行伪造，就可以适用于任何数量的文件。本发明使用自然存在的生物粒子，其可变性通过生物过程的自由度的大的数量而保证。它们用于制造标签，所述标签可以被进一步应用于文件或产品，从而使其独特。
本发明公开了安全标签和制造方法。
本发明的安全标签的特征在于不可模仿的生物粒子的图案，所述生物粒子从生物体直接转移至在基板上的透明粘合剂层、用透明顶板覆盖，以使得将所述生物粒子封装在所述基板和所述顶板之间。
在本发明的一个实施方案中，所述生物粒子的图案是条形码或qr码的形状。
在本发明的另一个实施方案中，所述生物粒子的图案是人头轮廓的形状，或者备选地，是指纹的形状。
优选地，所述生物粒子通过机械或激光切割而公然地刻有信息。
备选地，所述生物粒子通过将其荧光永久漂白而隐藏地刻有信息。
优选地，所述生物粒子选自鳞翅目(lepidoptera)鳞片、毛发或刚毛，鞘翅目(coleoptera)鳞片，毛翅目(coleoptera)毛发或刚毛，和蛛形纲(arachnides)鳞片。
更优选地，所述生物粒子取自多种不同物种，并且以预定图案在所述基板上组装。
在本发明的一个实施方案中，所述顶板的选择的部分被透明粘合剂层覆盖，所述透明粘合剂层永久粘附至所述生物粒子。
此外，本发明涉及根据本发明的安全标签用于识别和鉴别商品、制品和文件的用途。
最后，本发明涉及制造根据本发明的安全标签的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在表面上提供至少一种生物粒子；
(2)以预定形状切割具有低表面能粘合剂层的光透明带以形成第一预切割带；
(4)将所述第一预切割带按压至具有所述生物粒子的所述表面上；
(5)将所述第一预切割带从具有所述生物粒子的所述表面移除，并且所述生物粒子中的大多数附着至所述第一预切割带；
(6)使具有附着的生物粒子(10)的所述第一预切割带与高表面能第二光透明胶粘带接触，以使得所述粘合剂层彼此面对；
(7)将所述第一预切割带从第二带剥离；
(8)用小于所述第二带的第三光透明带覆盖所述第二带以形成准备好用于附着至商品、制品或文件的所述安全标签。
根据本发明的标签包含大量的在具有充分限定、容易识别的形状的预定区域内附着在基板表面上的昆虫身体的选择的、微米尺寸的部分(生物粒子)。生物粒子被直接转移至基板，保持它们的原始物理特征和空间布局。所述生物粒子根据它们光学性质的高的复杂性和可变性水平来选择，可在不同图像放大倍数下观察。整体标签尺寸是这样的：其实现由用户进行肉眼观察和容易识别，以及在显微水平下的机器检查。
复杂性通过生物粒子的统计学平均体积表面比来测量(图1和图2示出了在一些昆虫的表皮上发现的昆虫身体鳞片的典型复杂性)。优选地，体积/表面比小于50nm。可变性通过在限定的放大倍数下观察到的生物粒子图像(图6提供了在不同放大倍数下记录的昆虫身体鳞片7的光学图案)的自由度的数量(g.t.difrancia,“图像的自由度(degreesoffreedomofanimage)”,josa59,(1969)799-804)来限定。优选地，自由度的数量应当大于1000。
需要观察到的光学效果是强局部化的、可变的且个性化的，并且是来自复杂三维结构的干涉、衍射和散射(包括它们的偏振和角度依赖性)的结果。另外，选择耐久的、具有永久光学性质的以及能够被转移至基板并且在附着至基板之前、期间和之后进行处理的组织和细胞。接收生物结构的基板因此变得独特并且不可重复。可以将所得的标签进一步附着在需要个性化和安全识别的各种类型的物体上。
标签基板可以含有三个印刷标记物，其用作参考以产生局部坐标系。使用附着至标签的昆虫身体部分的选择的特征作为机器可读安全码(第二个保护路线)。
标签制造过程由使用具有不同表面能的胶粘带的多个阶段组成。第一带用于将生物粒子从生物体剥离。它们被转移至较高表面能的带，在那里它们保持被另外的保护层永久附着和保护。
附图简述
图1：在扫描电子显微镜(sem)下观察到的蝴蝶鳞片。
图2：在透射电子显微镜(tem)下观察到的蝴蝶鳞片的横截面。
图3：在tem显微镜下观察到的蝴蝶鳞脊的放大横截面。
图4：来自图3的蝴蝶鳞片的γ校正图像，其中边缘突出显示。
图5：在图3中的图像的阈值版本，实现了封闭表面积的计算。
图6：将蝴蝶翅膀的一部分星形切割，从而包括虹彩斑点，其放大的图像显示具有大量不同强度和光谱含量的点的单独鳞片。
图7：使用在图6中的鳞片的傅里叶变换计算信号带宽δv。
图8：具有转移的生物粒子的标签。
图9：具有转移的生物粒子和具有改变虹彩色的粘合剂层的顶板的标签。
图10：如在扫描电子显微镜下观察到的在蝴蝶翅膀中的正方形切割物(以白色箭头指示)。
图11：由生物粒子制成的轮廓。
图12：由生物粒子制成的指纹。
图13：由蝴蝶鳞片制成的条形码。
图14：具有生物粒子的标签的制造过程。
图15：具有生物粒子的标签的制造过程的流程图。
图16：具有属于不同生物物种的生物粒子的标签的制造过程。
发明详述
结合附图，本发明的技术内容和详细实施方案在下文中描述，然而并不限制其保护范围，所述保护范围由权利要求专门限定。根据所附权利要求做出的任何等同变化和修改均包括在其保护范围内。
本发明公开了光学标签，其含有根据其复杂性和可变性选择的大量生物粒子。在描述标签的结构及其多个实施方案之前，我们为复杂性和可变性的概念指定具体含义。这是为了选择保证标签的防伪性质的最佳物种和生物粒子所必需的。
参考图1，可以观察到典型的生物粒子复杂性，例如鳞翅目鳞片。结构由两种类型的格栅(grating)组成：特征为具有大量薄层(lamella)2的脊1的体积格栅，和由将脊连接的交叉肋部3组成的表面格栅。通过观察鳞片的横截面(图2)，可以看到，鳞片具有两种膜：非结构化的下膜4，和含有脊、薄层和交叉肋部的上膜5。通过使用在图3中的蝴蝶鳞片的复杂部分的放大横截面，可以通过确定轮廓长度(contourlength)与轮廓封闭表面(contourenclosed-surface)的比率来量化复杂性。通过首先数字突出显示物体边缘(参见图4)并且计算黑色像素的总数量，确定轮廓长度——lb。通过将在图3中的图像数字阈值化(运行的结果在图5中示出)并且对黑色像素的总数量积分，确定表面积——sb。复杂性c因此是，c＝sb/lb。
在生物粒子的内部结构，例如鳞翅目鳞片(如在图1、2和3中所示)中的自然变化导致所得光学效果的可变性。图6示出了在另一个基板上转移的蝴蝶翅膀的星形部分。选择具体的鳞翅目物种和切割位置以使得所得部件含有至少一种虹彩点6。其放大图像显示了具有大量的不同强度和光谱含量的点的鳞片7。其位置、光谱和强度是不可预测的并且限定自由度。使用其数量n作为可变性的量度。这可以通过计算个体鳞片表面积s(容易从图像计算出来)与点的平均尺寸δx的比率来估算(图6)。最后的特征通过以下关系与信号的光谱宽度相关联：
δxδv＝1/(4π)
(参见图7，其中示出了鳞翅目鳞片图像的傅里叶变换)。通过测量光谱宽度δv，可以计算平均点尺寸δx。最后，计算自由度的数量作为n＝s/δx。
参考图8，根据本发明的光学安全标签的优选的实施方案通过将其呈现于两个正交投影中而示出。基板8被薄的透明粘合剂层9覆盖。生物粒子10牢固地粘附至所述粘合剂层，产生容易识别的图案(例如符号、字母、条形码、轮廓等)。生物粒子10的粘附性使得进行移除的尝试破坏其亚微米尺寸结构。三个可见标记11、12和13(例如十字)印刷在基板8上，并且用于相对于光学读取系统将标签放置在充分限定的位置。它们还限定了可以是曲线并且非正交的局部坐标系(用虚线表示)。坐标系的确切的数学性质仅对标签的发布者已知。生物粒子10由透明盖14保护。随机选择一个或多个粒子10’作为个性化图案的携带者。确定并且储存它们相对于标记物11、12和13的位置。此外，还记录并且储存它们的光学图案(在图6中的7)。
在另一个实施方案(图9)中，顶板14包含永久附着至生物粒子的图案化的粘合剂层16。这发挥双重作用。首先，所述层的折射率将折射率变为高于生物粒子并且改变图案17的一部分的虹彩色。如在之前的实施方案中，随机选择一个或多个鳞片10’作为个性化图案的携带者。此外，任何拆解标签的尝试均导致生物粒子的分离——它们中的一些保留在基板上并且其他随顶板剥离，因此产生篡改敏感的标签。
在另一个实施方案中，基板8是透明的，因此实现生物粒子10的双面观察。对于一些鳞翅目物种来说，在鳞片的每个侧面上的虹彩图案是不同的。在这个实施方案中，可以在透射光和反射光二者中观察到光学图案。图案可以是相干光或非相干光的衍射、干涉、虹彩、散射和荧光的结果。记录图案的角度、焦点和偏振可变性并且将其用作鉴别信号。
在又一个实施方案中，通过机械方式将转移的生物粒子10进一步图案化。机械工具雕刻有所需的图案，产生具有升高和凹陷部分的系统。将其按压至图案上，因此将生物粒子碾碎并且改变其光学性质(例如虹彩、散射)，产生可视觉观察的图案。
在又一个实施方案中，通过激光切割或雕刻将转移的生物粒子宏观图案化(例如在图10中用白色箭头指示的正方形区域)。在具有用于根据编程的轨迹将光束成角度偏转的计算机控制的检流计-镜式扫描器的系统中引入来自超快激光的光束。之后使用f-θ透镜将光束扩大并且聚焦于具有生物粒子的标签，所述f-θ透镜实现平面扫描场以及偏转角和聚焦光束位置之间的线性关系。选择激光波长、扫描速度和功率，从而实现切割或雕刻。其用于在具有生物粒子的标签的表面上画出个性化的生物计量学图案(例如，如在图11中的轮廓、如在图12中的指纹、视网膜血管图案、签名、或虹膜图像)。以这种方式，产生公然的图案，其可以用于视觉和机器鉴别。
另外的实施方案的特征在于由生物粒子制成的条形码或qr码图案(图13)。
在另一个实施方案中，使用高强度uv辐射将转移的生物粒子的荧光选择性漂白。这可以使用由uv灯和物镜组成的uv投影系统完成。将含有包含图像的透明和不透明区域的掩模插入至系统中，以使得直接在具有生物粒子的标签上产生图像。通过照射光束的强度和照射时间来控制漂白作用。备选地，在具有用于根据编程的轨迹将光束成角度偏转的计算机控制的检流计-镜式扫描器的系统中引入来自连续波(cw)或超快激光的光束。之后使用f-θ透镜将光束扩大并且聚焦于具有生物粒子的标签，所述f-θ透镜实现平面扫描场以及偏转角和聚焦光束位置之间的线性关系。选择激光的波长，以使得通过单光子过程(在cw激光的情况中)或双光子过程(在超快激光的情况中)实现漂白作用。激光功率及其扫描速度决定了漂白的强度。可使用低强度uv辐射作为隐藏的安全特征来观察图案。
标签制造过程由在图14中描绘的多个阶段组成。首先，以所需形状激光切割或模具切割含有具有低剥离强度(优选约0.5n/cm的表面能)的粘合剂层(压敏)的带。将带按压在用生物粒子(例如蝴蝶翅膀)覆盖的表面上，并且所述生物粒子的虹彩表面朝上，并且所述生物粒子粘附至所述带(在图14中的阶段(i))。将带剥离，将细胞或组织剥离(在图14中的阶段(ii))。接下来，将带转移至具有高剥离强度以及优选约2.5n/cm的表面能的第二光透明带(在图14中的阶段(iii))。将带与粘合剂层彼此面对按压在一起，生物粒子截留在各层之间。在特定停留时间之后，将带分离(在图14中的阶段(iv))。由于第二带的较高的表面能，来自第一板的生物粒子保留在第二带上。使用第三光透明非胶粘带覆盖生物粒子，保护它们免受外部影响(在图14中的阶段(v))。第三带小于第二带，因此使其余的粘合剂层露出，其将会用于附着至需要个性化的物体。整个过程的流程图在图15中示出。
在另一个实施方案中，标签和相关的制造过程使用多个物种的生物粒子。如在图16中描述的，最终图案由从属于例如鳞翅目的多种昆虫物种转移的两个以上子图案组装。首先，以所需形状激光切割或模具切割含有具有低剥离强度(优选具有约0.5n/cm的表面能)的粘合剂层(压敏)的带18。将带按压在用属于一种生物物种的生物粒子(例如鳞翅目翅膀)覆盖的表面19上，并且它们的虹彩表面朝上。生物粒子粘附至所述带(在图16中的阶段(i))。将带剥离，将细胞或组织剥离(在图16中的阶段(ii))。接下来，将带转移至具有高剥离强度以及优选约2.5n/cm的表面能的第二光透明带20(在图16中的阶段(iii))。将带与粘合剂层彼此面对按压在一起，生物粒子截留在各层之间。在特定停留时间之后，将带分离(在图16中的阶段(iv))。由于第二带的较高的表面能，来自第一板的生物粒子保留在第二带上。以所需形状激光切割或模具切割含有具有低剥离强度(优选具有约0.5n/cm的表面能)的粘合剂层(压敏)的另一个带21，所述形状与在过程的阶段i中描述的形状互补。将带按压在用属于另一种生物物种的生物粒子(例如鳞翅目翅膀)覆盖的表面22上，并且它们的虹彩表面朝上。生物粒子粘附至所述带(在图16中的阶段(v))。将带剥离，将细胞或组织剥离(在图16中的阶段(vi))。接下来，将带转移至具有高剥离强度以及优选约2.5n/cm的表面能的之前制造的透明带20(在图16中的阶段(vii))。将带与粘合剂层彼此面对按压在一起，以使得由带18和21限定的图案彼此补充。因此，生物粒子截留在各层之间。在特定停留时间之后，将带分离(在图16中的阶段(viii))。由于第二带的较高的表面能，来自第一带的生物粒子保留在第二带上。
在下一个阶段(在图16中的ix)中，使用第三光透明非胶粘带覆盖生物粒子，保护它们免受外部影响。第三带小于第二带，因此使其余的粘合剂层露出，其将会用于附着至需要个性化的物体。
在之前的实施方案中描述的方法可以进一步推广至任何数量的不同生物物种。